Новые подробности о новом способе перемещения электронов между кубитами в квантовом компьютере

Две независимые группы ученых сделали важный шаг на пути к созданию квантового компьютера на практике: они предложили способ передачи одиночных электронов на относительно большие расстояния между квантовыми точками, представляющими собой субмикронные фрагменты полупроводника. Обе схемы задействуют для этого звуковые волны на поверхности материала. Научные группы уверены в том, что в ближайшем будущем они смогут доказать, что электроны действительно прибывают к месту назначения, сохраняя в себе необходимую квантовую информацию. Это сделает систему кандидатом на роль «шины передачи данных» для квантового компьютера.



Воображаемая иллюстрация процесса перехода электрона от одной квантовой точки к другой под действием звуковых волн.

Теория доказывает, что квантовые компьютеры, принцип действия которых основан исключительно на квантовых явлениях, таких как суперпозиция и сцепленность, при решении определенных задач могут существенно обойти в производительности «классические» компьютеры. Но создание первого реального квантового компьютера все еще сталкивается с рядом непреодолимых проблем: структуры, используемые для хранения и перемещения кубитов (битов квантовой информации) сложно создаются и крайне легко уничтожаются. В последних экспериментах ученые предлагают в качестве кубитов использовать квантовые точки, которые могут содержать в себе 0, 1 или 2 электрона, тем самым определяя свое «логическое состояние» в роли кубита данных. Более того, два электрона в такой квантовой точке остаются сцепленными, даже если один из них переместить на какое-то расстояние. Этот процесс носит название «квантовой телепортации», и он может сыграть важную роль в развитии квантовых вычислений.

Хотя ученые уже «научились» передавать электроны на короткие расстояния между соседними квантовыми точками, перемещение электрона по всей интегральной схеме, содержащей сотни и тысячи кубитов, все еще является нерешенной проблемой.

Суть этой проблемы заключается в том, что электроны в металле или полупроводнике путешествуют через целые «моря» других электронов, которые могут разрушить их квантовую сцепленность с другими электронами. Логичным решением проблемы является «очистка» пути следования электрона от посторонних заряженных частиц путем создания определенного канала из изолятора. И теперь задача будет состоять в том, как сообщить электрону достаточно энергии для путешествия через этот изолирующий канал без разрыва квантовой сцепленности.

Похожие между собой решения для этой задачи независимо предложили две группы ученых: сотрудники Institut Néel (Франция), University of Tokyo (Япония) и University of Bochum (Германия), а также группа из University of Cambridge (Великобритания, о работе этой группы мы уже писали).

Обе группы опубликовали результаты своей работы в журнале Nature. Команды разработали сходные полупроводниковые приборы, каждый из которых имел на поверхности две квантовые точки, расположенные на расстоянии в несколько микрон. В обоих случаях квантовые точки были соединены узким каналом полупроводника, «зажатым» между двумя проводящими электродами. И в обоих случаях необходимая энергия сообщалась электронам при помощи акустических колебаний поверхности, создаваемых пьезоэлектрическим приводом (акустическая волна приводит в движение положительные ионы, которые, в свою очередь, передают толчок электрону).

Ученые из Франции, Японии и Германии по описанной схеме реализовали устройство, позволяющее передать электроны на расстояние в 3 мкм между квантовыми точками за время, не превышающее 1 нс. Этот промежуток времени гораздо меньше того, который требуется для исчезновения квантовой сцепленности; таким образом, предложенная схема является ключевой для практической реализации квантового компьютера. Стоит, правда, отметить, что оба эксперимента проводились при чрезвычайно низкой температуре, что препятствовало возникновению на поверхности «паразитных» акустических колебаний, которые могли бы испортить результат.

Источник