Потенциал квантовых компьютеров интересует исследователей прежде всего в связи с возможностью нескольких квантовых битов – или кубитов – демонстрировать то, что называется «квантовой запутанностью». Этим уникальным свойством кубиты отличаются от классических битов.
Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института сравнивает квантовую запутанность с причудливой книгой, в которой информация не записана на страницах, а определяется их корреляцией, в связи с чем все страницы необходимо читать одновременно.
Состояние запутанности описывает взаимодействие спинов кубитов: хотя конкретная направленность двух спинов может быть неизвестна (находится между нулем и единицей), известно, что они являются разнонаправленными. Оказавшись в запутанном состоянии, при повторном измерении спины сохраняют его вне зависимости от того, насколько далеко друг от друга находятся (пусть даже речь идет о расстояниях масштаба спутниковых орбит).
«Получение доступа к квантовым состояниям запутанности является ключом к использованию высочайшей вычислительной мощности квантовых систем, – подчеркнул профессор Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) Андреа Морелло. – В контексте квантовых вычислений запутанные состояния формируют компьютерный код, не имеющий ничего общего с классическим, поскольку способа записи в настольный компьютер кода, в котором значения двух битов не определены, но при этом противоположны, просто не существует. А в квантовом компьютере такое возможно, и чем большим числом кубитов вы располагаете, тем больше становится запутанных кодов квантового компьютера. По мере роста числа кубитов их объем увеличивается экспоненциально».
Запечатлеть то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», в реальном квантовом компьютере невероятно сложно. На практике запутанные состояния крайне неустойчивы и легко разрушаются в результате внешнего воздействия.
В настоящее время исследователи из Университета Нового Южного Уэльса приступили к реализации важного этапа в инженерном проектировании запутанности – созданию кремниевого чипа с двумя взаимодействующими кубитами.
«Наблюдать за этим было очень интересно, – заметил один из соавторов исследования Мэтью Брум, который ранее работал в Университете Нового Южного Уэльса, а теперь перебрался в Университет Копенгагена. – Если спин одного электрона направлен вверх, то другого – непременно вниз, и наоборот».
«Это очень важная веха в истории развития технологий, – подчеркнул Брум. – Корреляция спинов подобного рода – предшественник состояний запутанности, которые нужны квантовому компьютеру для функционирования и выполнения сложных вычислений».
Оспаривание теории
Команда из Университета Нового Южного Уэльса, возглавляемая профессором Мишель Симмонс, директором исследовательского центра Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, создавала свои кубиты, размещая отдельные атомы фосфора на кремнии с очень высокой точностью. В качестве кубита использовался спин электрона такого атома фосфора.
Предложенный метод открывает весьма многообещающие перспективы для будущих кубитов, поскольку исследователями было продемонстрировано необычайно долгое (по крайней мере, с квантовой точки зрения) время релаксации и дефазировки, составившее около 30 секунд.
«Поместив атомы фосфора в кремний при создании кубита, мы приступили к прямому измерению волновой функции атома с помощью сканирующего зонда, который указывал точное физическое местоположение атома в чипе, – сообщила Симмонс, ставшая обладательницей премии 2018 Australian of the Year. – В результате мы стали первыми в мире, кому удалось увидеть, где находятся кубиты».
Сканирующий туннельный микроскоп показывает волновую функцию электрона кубита, сделанного из атома фосфора, и его точное местоположение в кремнии.
«Наше конкурентное преимущество состоит в том, что мы можем помещать высококачественный кубит в нужное место чипа и наблюдать за тем, что происходит, проводя соответствующие измерения, – пояснила Симмонс. – Разместив рядом еще один кубит, мы стали анализировать характер взаимодействия двух волновых функций. После этого можно будет приступать к воспроизведению копий ранее созданных устройств».
В недавнем исследовании, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications, команда ученых размещала два кубита, один из которых состоял из двух атомов фосфора, а другой – из одного, в кремниевом чипе на расстоянии 16 нм друг от друга.
Взаимодействие соседних кубитов можно контролировать с помощью присоединенных к чипу электродов. Таким образом, квантовые спины их электронов становятся коррелированными.
Основная трудность при построении чипов, включающих в себя несколько кубитов, связана с пониманием того, насколько близко эти кубиты должны располагаться друг от друга для взаимодействия. В соответствии с теоретическими прогнозами, для достижения эффекта корреляции кубиты нужно размещать на расстоянии 20 нм, но в ходе экспериментов выяснилось, что это происходит только на расстоянии 16 нм.
«Для нашего квантового мира это очень большая разница, – заметил соавтор исследования Сэм Горман из Университета Нового Южного Уэльса. – И очень приятно, что мне в качестве экспериментатора удалось оспорить теорию».
Замки из песка
Проведенное исследование стало последним в череде достижений ученых, стремящихся к созданию работоспособного кремниевого квантового компьютера.
Кремний был выбран потому, что представляет собой наиболее устойчивую и простую в изготовлении среду для размещения кубитов, а долгая история использования кремния в обычных компьютерах свидетельствует о том, что в мире накоплен очень большой объем знаний об этом материале.
Предложенный подход вызвал большой интерес и позволил получить финансирование со стороны банка Commonwealth Bank of Australia, компании Telstra, федерального правительства и правительства штата.
В прошлом году Симмонс с коллегами основала первую в Австралии компанию по разработке квантового оборудования – Silicon Quantum Computing. К 2022 году в ней планируется создать коммерческое 10-кубитное демонстрационное кремниевое устройство, которое должно стать «предшественником кремниевого квантового компьютера».