Немецкие ученые разработали стабильный квантовый вентиль из кремния

Квантовый вентиль — это базовый элемент квантового компьютера, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определенному закону. Отличается от обычных логических вентилей тем, что работает с кубитами, а следовательно подчиняется квантовой логике. В новом устройстве электронный спин отдельных электронов кремния используется, как основное хранилище данных (кубитов).

Квантовые компьютеры могут в будущем заменить электронные компьютеры, когда те достигнут предела вычислительной мощности. Однако они более чувствительны к изменениям окружающей среды, и ученые работают над тем, чтобы создать более стабильные квантовые вентили, которые являются главными «строительными блоками» квантового компьютера.

Особенность открытия американо-немецких ученых состоит в том, что они впервые использовали электронный спин кремния в качестве основы для хранения кубитов. Раньше для этой цели пытались использовать ионы и сверхпроводниковые системы. Направление вращения электрона соответствует «1» или «0» в цифровом бите, но в квантовом состоянии электрон может хранить больше информации, нежели «1» или «0».

Сперва перед учеными встала задача извлечения отдельного электрона из миллиардов атомов кремния. «Это было грандиозным достижением наших коллег из Принстона», — говорит Гуидо Буркард из Констанцского университета. Они использовали сочетание электромагнетизма и отталкивания для отделения электрона, после чего помещали его в специальную полость, где он хранился в плавучем состоянии. Затем необходимо было разработать систему, которая бы позволила контролировать крутящий момент электрона. Это удалось сделать с помощью нано-электродов и электромагнитов.

Однако, чтобы квантовый компьютер стал программируемым, необходимы два кубита. Поэтому ученые попытались подключить два электрона друг к другу с помощью дополнительно наноэлектрода, который поместили между «полостями», в которых плавают электроны. Благодаря этому «мосту» можно сделать так, чтобы один электрон вращался только, при условии, что другой электрон вращается в определенном направлении. Этот метод оказался довольно точным — на 99% для одного кубита и на 80% — для двух кубитов.

Кремний оказался удачным материалом. Он очень «тихий», то есть имеет относительно низкое число атомных спинов, влияющих на крутящий момент электронов. К тому же, кремний давно используется в микроэлектронике и хорошо изучен.

Физики Института Макса Планка сумели реализовать квантовый вентиль с двумя квантами в качестве основных действующих лиц, введя третий квант — атом, выполняющий роль медиатора. Это открытие может позволить в будущем создавать масштабируемые квантовые компьютеры и глобальные квантовые сети.