Сурьма: ключ к созданию гибких квантовых чипов будущего

Инженеры квантовых вычислений из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее продемонстрировали новаторский подход к записи квантовой информации в кремний, представив четыре уникальных способа кодирования внутри одного атома. Открытие может существенно упростить проектирование гибких квантовых чипов и решить некоторые проблемы, связанные с эксплуатацией десятков миллионов квантовых вычислительных единиц на небольшой площади кремниевых чипов для квантовых компьютеров.

В своей статье инженеры описали, как они использовали 16 квантовых состояний атома сурьмы для кодирования квантовой информации. Сурьма — это тяжелый атом, который можно имплантировать в кремниевый чип, заменив один из существующих атомов кремния. Он был выбран потому, что его ядро ​​обладает 8-ю различными квантовыми состояниями, а также электрон с 2-мя квантовыми состояниями, в результате чего в общей сложности получается 8 x 2 = 16 квантовых состояний, и все это в пределах одного атома. Для достижения того же количества состояний с использованием простых квантовых битов (или кубитов) потребуется изготовить и соединить 4 из них.

Изображение 16-ти квантовых состояний атома сурьмы и различных способов перемещения между ними

Исследователи показали возможность управления электроном и ядром атома сурьмы с помощью магнитного и электрического полей, а также комбинацией обоих полей. Работы открывает новые возможности для проектирования будущих квантовых чипов, предоставляя инженерам и физикам большую гибкость в выборе методов управления.

Преимущества различных методов заключаются в их специфических характеристиках: магнитный резонанс обладает большей скоростью по сравнению с электрическим, но его магнитное поле может влиять и на соседние атомы. В то же время электрический резонанс действует более локализовано, позволяя выбирать конкретный атом без воздействия на окружающие.

Будущие квантовые компьютеры, способные выполнять расчеты и моделирование, на выполнение которых у современных суперкомпьютеров ушли бы столетия, будут включать в себя миллионы, если не миллиарды квантовых битов. Исследователи из UNSW делают ставку на использование кремния, технологии производства которого уже хорошо освоены в создании традиционных компьютеров, что в перспективе позволит разместить миллионы квантовых битов на квадратном миллиметре чипа.

Следующим шагом для группы будет использование расширенного вычислительного пространства атома сурьмы для выполнения более сложных квантовых операций, что открывает путь к созданию практического и коммерчески выгодного квантового оборудования.