Австралийские исследователи впервые изготовили один из ключевых элементов квантового компьютера из кремния. Они также показали, что два кремниевых транзистора, действующие в роли квантовых битов (или кубитов), могут выполнять сверхбыстрые расчёты.
Напомним, что кубиты, в отличие от классических битов, могут принимать не только значения 1 или 0, но и все промежуточные одновременно (в силу своей квантовой природы). В результате пять запутанных кубитов могут хранить и обрабатывать столько же информации, что и 32 (2 в пятой степени) классических бита, 10 запутанных кубитов = 1000 классических бита, а 300 кубитов могут быть соотнесены с таким количество битов, сколько атомов во всей Вселенной. Соответственно, и производительность квантовых компьютеров на основе кубитов значительно выше, чем у классических компьютеров на кремниевых схемах.
Ранее кубиты реализовывали в довольно дорогих и экзотических материалах (например, на основе сверхпроводников, как это сделали российские учёные) и в небольшом количестве. Кроме того, всю систему надо было охлаждать до температур близких к абсолютному нулю.
Кремний же является дешёвым, распространённым материалом, который сегодня повсеместно используется в электронной промышленности. Производство кремниевых схем поставлено на поток, а значит, достижение австралийцев делает мечту о повсеместном использовании квантовых компьютеров ближе к реальности.
Команда, возглавленная Эндрю Дзураком (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, создала так называемый CNOT логический вентиль на основе кремниевых транзисторов. Он может стать частью квантового чипа, который будет производить вычисления.
В новом устройстве кремниевые кубиты изолированы друг от друга для сохранения стабильности состояния. Каждый представляет собой стандартный транзистор, правда, способный хранить только один электрон. Спин электрона кодирует 1 или 0, а внешнее микроволновое поле и ток контролируют кубиты и заставляют их взаимодействовать нужным образом.
Пока на руках у исследователей пара таких кубитов, но можно масштабировать это решение и создать последовательность из множества кубитов, что позволит производить всё более и более сложные расчёты. Команда Дзурака уже запатентовала дизайн чипа, содержащего миллионы таких кубитов. Впрочем, до того как полноценное решение будет создано пройдёт не менее 10-20 лет.
"Мы продемонстрировали двухкубитную логическую схему – центральный строительный блок квантового компьютера, и, что важно, выполнили его из кремния. Мы используем, по сути, ту же технологию, что и при создании существующих компьютерных чипов, так что изготовить полномасштабный процессор на основе этой методики будет гораздо проще, нежели с помощью каких бы то ни было экзотических технологий, – комментирует Дзурак. – Таким образом, создание квантового компьютера становится более осуществимым, ведь оно основано на той же технологии производства, что и вся современная компьютерная индустрия".
Полномасштабный квантовый процессор, как считается, найдёт применение в самых различных областях – от финансов, страхования и здравоохранения до автоматизированного проектирования фармацевтических соединений и быстрого поиска информации в больших объёмах данных.
Проблема данной разработки в том, что она, как и предшественники, может функционировать лишь при очень низких температурах – около 1 Кельвина (минус 272 градуса по Цельсию). Впрочем, авторы работы отмечают, что современные технологии и в этой сфере не стоят на месте, и холодильники последнего поколения вполне в состоянии поддерживать такие температуры.
Подробности работы австралийских учёных были опубликованы изданием Nature (от ред. статья A two-qubit logic gate in silicon M. Veldhorst, C.H. Yang, J.C.C. Hwang, W. Huang, J.P. Dehollain, J.T. Muhonen, S. Simmons, A. Laucht, F.E. Hudson, K.M. Itoh, A. Morello,A.S. Dzurak. Nature (2015) doi:10.1038/nature15263)
