"Серфинг" на звуковых волнах - новый метод управления квантовым состоянием единственных электронов - «Наука и технологии»

Исследователи из Кембриджского университета разработали новую технологию, основанную на использовании высокочастотных звуковых волн, которая позволяет управлять квантовым состоянием единственного электрона. При этом точность контроля и управления составляет чуть больше 99 процентов, что делает данное достижение значительным шагом на пути к созданию эффективных и надежных кремниевых квантовых вычислительных систем.

Напомним нашим читателям, что буквально недавно компания Google объявила о достижении так называемого "квантового превосходства", демонстрации того, что квантовый компьютер успешно справился с решением настолько тяжелой и сложной вычислительной задачи, которая не по силам даже самым мощным из современных суперкомпьютеров. Однако, квантовые компьютеры, которые сейчас разрабатываются Google, IBM и другими компаниями, используют в качестве кубитов сверхпроводящие цепи, которые очень "хрупки" как квантовые системы и очень сложны в практической реализации.

"Самые малые колебания или отклонения легко разрушают квантовую информацию, закодированную в виде фаз токов, циркулирующих в сверхпроводящих цепях" - пишут исследователи, - "Квантовые технологии еще очень "молоды", но всем нам уже понятно, что для создания полноценных универсальных квантовых компьютеров придется снижать масштабы кубитов до единственных квантовых частиц".

Вместо цепей из сверхпроводников в предлагаемой учеными архитектуре используется вращение единичного электрона - его угловой момент или, как это еще называют, спин. Этот спин и является носителем квантовой информации, так как он может принимать одно из определенных значений или находиться в состоянии квантовой суперпозиции.

"Использование вращения электронов в качестве кубитов является путем, который позволит создать реально масштабируемые квантовые системы, чего будет трудно добиться при использовании сверхпроводящих кубитов" - пишут исследователи, - "Вращением электронов можно управлять несколькими естественными способами, как и организовывать связи между ними на базе явления квантовой запутанности".

Квантовое устройство, при помощи которого исследователи проводили свои эксперименты, имеет размер всего в несколько миллионных долей метра. На основании из полупроводникового материала были изготовлены металлические управляющие электроды, аналоги затвора полевого транзистора. Сложная форма этих электродов позволила получить электрическое поле такой же сложной формы.

Затем через это устройство был направлен поток высокочастотных звуковых колебаний, что заставило электроды вибрировать и немного изменять свою форму, меняя конфигурацию электрического поля. Взаимодействие электрических полей создает своего рода ловушки, куда попадают отдельные электроны, перемещающиеся затем синхронно с движением звуковых волн. Другими словами, если сказать, что электроны "занимаются серфингом" на звуковых волнах, это достаточно точно описывает все происходящее.

Изменяя параметры звуковых колебания, исследователи смогли управлять поведением единичных электронов с эффективностью в 99.5 процента. "Управление только одним отдельны электроном является сложной задачей уже само по себе" - пишут исследователи, - "Но при увеличении количества контролируемых электронов, что необходимо для квантового компьютера, сложность задачи управления растет по экспоненте, так как электроны-кубиты начинают взаимодействовать друг с другом".

В ближайшем будущем Кембриджские ученые собираются изготовить и начать эксперименты с подобным квантовым устройством, которые позволит управлять поведением нескольких или нескольких десятков электронов одновременно. И если эти эксперименты пройдут успешно, то все это в целом станет еще одним большим шагом на пути к созданию реального квантового компьютера.