Ученые создали технологию производства квантовых ячеек памяти без использования дорогих алмазов и охлаждения до сверхнизких температур

Физики выяснили, как без использования дорогих алмазов можно создавать стабильные полупроводниковые ячейки квантовой памяти (кубиты), не требующие охлаждения до абсолютного нуля. Статью с описанием их работы опубликовал научный журнал Nature Communications, кратко об этом пишет пресс-служба НИТУ "МИСиС".

"Квантовые системы, созданные на основе дефектов в полупроводниках, особенно перспективны для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Их сложно использовать из-за нестабильностей, которые ограничивают качество кубитов и не дают им работать при комнатных температурах. Мы выяснили, как обойти эти проблемы", - пишут исследователи.

Сейчас есть несколько разных типов кубитов, которые специалисты создают на базе сверхпроводников, одиночных атомов или ионов, охлажденных до сверхнизких температур, а также различных полупроводниковых конструкций. В "квантовой гонке" по созданию все более сложных компьютеров пока лидируют первые три типа ячеек памяти, так как их работой удобнее управлять, а сами кубиты такого типа меньше ошибаются при вычислениях.

Полупроводниковые кубиты не так удобны в работе, однако они, как предполагают теоретики, будут лучше подходить для того, чтобы создавать сложные вычислительные машины, которые объединяют в себе тысячи или даже миллионы квантовых ячеек памяти. За последние годы физики достигли существенного прогресса в их разработке, научившись управлять так называемыми NV-центрами.

Бриллианты и "квантовые ямы"

NV-центрами исследователи называют особые дефекты, атомы азота или других элементов, которые "затесались" в толщу полупроводникового материала - обычно это алмазы и различные соединения углерода. Появление чужеродных включений внутри них создает особое пустое место с необычными свойствами, подобными тому, как если бы там находился атом углерода в "замороженном" состоянии.

По сравнению с другими типами квантовых ячеек памяти, NV-кубит существуют довольно долго, однако их поведением и скоростью обновления достаточно сложно управлять. Другой их недостаток заключается в том, что для того, чтобы они могли надежно исполнять квантовые логические операции, почти все варианты подобных кубитов, за исключением NV-центров в алмазах, нужно охлаждать до сверхнизких температур.

Профессор МИСиСа Игорь Абрикосов и его коллеги обнаружили, что эту проблему можно обойти, если встроить внутрь карбида кремния или других дешевых полупроводников особую структуру, которую физики называют "квантовой ямой". Так ученые называют область пространства, в которой движением и состоянием частиц управляют законы квантовой физики.

Подобную яму, как выяснили ученые, можно создать рядом с NV-центром, убрав или сместив один из слоев карбида кремния, рядом с которыми находится этот дефект. В таком случае кубит стабилизируется и не теряет своих свойств, если пытаться с ним работать при комнатных температурах. Свое теоретическое предсказание физики проверили, "накачивая" лазером дефекты в листе из карбида кремния и изучая их структуру при помощи рентгеновского кристаллографа.

Это открытие, как надеются Абрикосов и его коллеги, может сделать полупроводниковые кубиты значительно дешевле и позволит вычислительным приборам на их основе обходиться без громоздких и дорогостоящих систем охлаждения. Вдобавок, материалы аналогичной структуры уже сейчас ее можно применять при создании сверхточных магнитометров и сенсоров для изучения живых клеток.