|
Путь к созданию мощных квантовых компьютеров
|
|
|
|
Исследователи из университетов Мельбурна и Манчестера изобрели революционную технологию производства высокоочищенного кремния, которая значительно приближает создание мощных квантовых компьютеров. По словам исследователей, новая технология получения сверхчистого кремния делает его идеальным материалом для создания квантовых компьютеров в больших масштабах и с высокой точностью. Соруководитель проекта профессор Дэвид Джеймисон из Мельбурнского университета сказал, что инновация, опубликованная в журнале Communications Materials, использует кубиты из атомов фосфора, имплантированные в кристаллы чистого стабильного кремния, и может преодолеть критический барьер для квантовых вычислений, увеличив продолжительность печально известной хрупкой квантовой когерентности. "Хрупкая квантовая когерентность означает, что вычислительные ошибки быстро накапливаются. Благодаря надежной когерентности, обеспечиваемой нашей новой технологией, квантовые компьютеры могут решать за часы или минуты некоторые задачи, на решение которых обычным или "классическим" компьютерам — даже суперкомпьютерам — потребовались бы столетия", - сказал профессор Джеймисон.
|
|
|
|
Квантовые биты или кубиты — строительные блоки квантовых компьютеров — чувствительны к малейшим изменениям в окружающей среде, включая колебания температуры. Даже при работе в спокойных холодильных камерах, близких к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию), современные квантовые компьютеры могут поддерживать согласованность без ошибок лишь в течение крошечной доли секунды. Профессор Ричард Карри, соавтор исследования из Манчестерского университета, сказал, что сверхчистый кремний позволяет создавать высокопроизводительные кубитные устройства - важнейший компонент, необходимый для создания масштабируемых квантовых компьютеров. "То, что нам удалось сделать, - это эффективно создать важнейший "кирпичик", необходимый для создания квантового компьютера на основе кремния. Это важный шаг к созданию технологии, которая может стать преобразующей для человечества", - сказал профессор Карри. Ведущий автор Рави Ачарья, совместный научный сотрудник Университета Манчестера и Мельбурнского университета Куксон, сказал, что большим преимуществом квантовых вычислений на кремниевых чипах является то, что в них используются те же основные технологии, которые используются в современных компьютерах.
|
|
|
"Электронные чипы, которые в настоящее время используются в повседневных компьютерах, состоят из миллиардов транзисторов — они также могут быть использованы для создания кубитов для квантовых устройств на основе кремния. Возможность создания высококачественных кремниевых кубитов до настоящего времени частично ограничивалась чистотой используемого кремниевого исходного материала. Инновационная чистота, которую мы демонстрируем здесь, решает эту проблему". Профессор Джеймисон сказал, что новые компьютерные чипы из высокоочищенного кремния содержат и защищают кубиты, поэтому они могут поддерживать квантовую когерентность гораздо дольше, позволяя выполнять сложные вычисления со значительно меньшей необходимостью исправления ошибок. "Наша технология открывает путь к надежным квантовым компьютерам, которые обещают кардинальные изменения во всем обществе, в том числе в области искусственного интеллекта, защищенных данных и коммуникаций, разработки вакцин и лекарств, использования энергии, логистики и производства", - сказал он.
|
|
|
|
Кремний, получаемый из пляжного песка, является ключевым материалом для современной индустрии информационных технологий, поскольку это распространенный и универсальный полупроводник: он может выступать в качестве проводника или изолятора электрического тока, в зависимости от того, какие другие химические элементы в него добавлены. "Другие экспериментируют с альтернативами, но мы считаем, что кремний является ведущим кандидатом для создания квантовых компьютерных чипов, которые обеспечат устойчивую согласованность, необходимую для надежных квантовых вычислений", - сказал профессор Джеймисон. "Проблема в том, что, хотя природный кремний в основном является желательным изотопом кремния-28, в нем также содержится около 4,5% кремния-29. Кремний-29 содержит дополнительный нейтрон в ядре каждого атома, который действует как крошечный посторонний магнит, разрушая квантовую когерентность и создавая вычислительные ошибки", - сказал он. Исследователи направили сфокусированный высокоскоростной луч чистого кремния-28 на кремниевый чип, таким образом, кремний-28 постепенно заменил атомы кремния-29 в чипе, снизив содержание кремния-29 с 4,5% до двух частей на миллион (0,0002 процента). "Отличная новость заключается в том, что для очистки кремния до такого уровня теперь мы можем использовать стандартную установку — ионный имплантер, которую вы найдете в любой лаборатории по производству полупроводников, настроенную на определенную конфигурацию, разработанную нами", — сказал профессор Джеймисон.
|
|
|
|
В ранее опубликованном исследовании, проведенном совместно с Центром передового опыта в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий ARC, Мельбурнский университет установил — и до сих пор удерживает — мировой рекорд по 30-секундной когерентности в одном кубите, используя менее очищенный кремний. Тридцати секунд вполне достаточно для выполнения сложных квантовых вычислений без ошибок. Профессор Джеймисон сказал, что самые крупные из существующих квантовых компьютеров имеют более 1000 кубитов, но ошибки возникают в течение миллисекунд из-за потери когерентности. "Теперь, когда мы можем производить чрезвычайно чистый кремний-28, нашим следующим шагом будет демонстрация того, что мы можем поддерживать квантовую когерентность для многих кубитов одновременно. Надежный квантовый компьютер всего с 30 кубитами превысил бы мощность современных суперкомпьютеров для некоторых приложений", - сказал он. В отчете австралийской компании CSIRO за 2020 год говорится, что квантовые вычисления в Австралии потенциально могут создать 10 000 рабочих мест и принести 2,5 миллиарда долларов годового дохода к 2040 году. "Наше исследование значительно приблизило нас к реализации этого потенциала", - сказал профессор Джеймисон.
|
|
|
|
Источник
|
