Квантовый танец дырок: как ученые приблизились к созданию промышленного квантового компьютера

Мир квантовых компьютеров полон загадок и невероятных возможностей. В этой гонке технологий на передний план выходят спиновые кубиты — крошечные частицы, способные хранить информацию в своем квантовом спине. Среди них выделяются кремниевые спиновые кубиты на основе дырок — своеобразных «отсутствий» электронов в полупроводнике. Ученые из Базельского университета сделали важный шаг к созданию квантового компьютера на основе таких кубитов, размещенных в транзисторах FinFET, которые уже широко используются в современной электронике.

Сила «пустоты»

Дырки, в отличие от электронов, обладают рядом преимуществ: их спин можно контролировать электрически, без громоздких микромагнитов, а также они менее подвержены влиянию шумов, что обеспечивает высокую когерентность. Использование FinFET транзисторов открывает путь к масштабированию квантовых компьютеров, опираясь на десятилетия развития полупроводниковой промышленности.

Квантовый танец в ритме взаимодействия

Однако для создания универсального квантового компьютера недостаточно просто управлять отдельными кубитами, необходимо заставить их взаимодействовать. В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, ученые из Базеля демонстрируют, как можно контролировать обменное взаимодействие между двумя спиновыми кубитами на основе дырок в FinFET.

Оказалось, что благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию, обменное взаимодействие имеет анизотропный характер — его сила меняется в зависимости от направления магнитного поля. Это свойство позволило исследователям реализовать быстрый двухкубитовый гейт, который является основой для создания универсального квантового компьютера.

От анизотропии к высокой точности

Анизотропия обменного взаимодействия открывает перед учеными новые горизонты. Во-первых, она позволяет создавать гейты, работающие одновременно и быстро, и точно. Во-вторых, такая система становится более устойчивой к изменениям параметров кубитов, что крайне важно для создания крупных квантовых компьютеров.

Взгляд в будущее

Исследователи из Базеля продемонстрировали, что FinFET транзисторы могут стать основой для создания квантовых компьютеров. Следующий шаг — повышение надежности и масштабирование технологии, чтобы квантовый компьютер вышел из лаборатории и стал реальностью.

Возможно, в будущем мы увидим квантовые чипы, произведенные на тех же фабриках, где сегодня создаются обычные процессоры для наших компьютеров и смартфонов. А это значит, что квантовые технологии станут доступнее и откроют новые возможности для решения сложнейших задач в медицине, материаловедении и других областях.

Если дырки — это «отсутствие» чего-то, как они могут взаимодействовать?

В квантовом мире дырки — не просто пустоты, а полноценные квазичастицы, обладающие собственным спином и другими квантовыми свойствами. Их взаимодействие, обусловленное перекрытием волновых функций, позволяет реализовать двухкубитовые гейты, необходимые для квантовых вычислений.

Как можно использовать анизотропию обменного взаимодействия на практике?

Анизотропия позволяет найти «сладкие точки» — определенные направления магнитного поля, где обменное взаимодействие максимально сильное и одновременно изотропное. Это позволяет создавать гейты с высокой точностью и скоростью, что критически важно для практической реализации квантовых вычислений.

FinFET — это уже устаревшая технология. Почему ученые используют ее для создания квантовых компьютеров?

FinFET транзисторы, несмотря на появление более современных технологий, остаются актуальными благодаря своей надежности и отработанности производственных процессов. Это позволяет надеяться на быстрое масштабирование квантовых компьютеров и их интеграцию с классической электроникой на одном чипе.

Квантовые компьютеры на основе дырок — единственный путь развития?

Нет, существует множество других подходов к созданию квантовых компьютеров, например, на основе сверхпроводящих кубитов или ионов. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и пока не ясно, какой из них окажется наиболее перспективным.