Вчені пов’язали ядерні крупи всередині кремнієвих мікросхем, що відзначають стрибок у бік масштабованих квантових комп’ютерів.
Інженери UNSW досягли значного прориву в квантові обчислення Створюючи те, що відомо як “квантові заплутані стани”. У цьому явищі дві частинки стають настільки сильно пов’язаними, що їх поведінку вже не можна описати незалежно один від одного. Команда здійснила це, використовуючи спіни двох атомних ядер, ресурс, який вважається необхідним для квантових комп’ютерів для перевершення традиційних машин.
Висновки, опубліковані в Наукапозначте вирішальний крок до розвитку масштабних квантових комп’ютерів, які широко розглядаються як один з найбільш амбітних наукових та технологічних кордонів 21 століття.
За словами провідного автора доктора Холлі Стемп, робота демонструє шлях до створення майбутніх квантових мікрочіпів з вже доступною технологією.
“Нам вдалося зробити найчистіші, більшість ізольованих квантових об’єктів розмовляють між собою, в масштабах, в яких наразі виготовлені стандартні електронні пристрої кремнію”, – каже вона.
Центральною складністю в розробці квантових комп’ютерів було пошук правильного балансу між двома суперечливими вимогами: захист делікатних квантових станів від перешкод та шуму, при цьому все ще дозволяє їм взаємодіяти з метою виконання обчислень. Цей виклик пояснює, чому різні типи квантових обладнання залишаються в конкуренції. Деякі системи можуть виконувати операції дуже швидко, але дуже вразливі до шуму, а інші краще захищені від перешкод, але набагато важче контролювати та розширювати.
Команда UNSW інвестувала в платформу, яка – до сьогодні – може бути розміщена у другому таборі. Вони використовували ядерне віджимання атомів фосфору, імплантованого в кремнієву мікросхему, для кодування квантової інформації.
“Спін атомного ядра – це найчистіший, найбільш ізольований квантовий об’єкт, який можна знайти в твердій державі”, – каже професор науці Андреа Морелло, школа електротехніки та телекомунікацій UNSW.
«За останні 15 років наша група піонерувала всі прориви, які зробили цю технологію справжнім суперником у квантовій обчислювальній гонці. Ми вже продемонстрували, що ми можемо мати квантову інформацію протягом понад 30 секунд – вічності, у квантовому світі – і виконувати квантові логічні операції з менше 1% помилок.
“Ми були першими у світі, які досягли цього в кремнієвому пристрої, але все це прийшло ціною: та сама ізоляція, яка робить атомні ядра такими чистими, ускладнює з’єднання їх у масштабному квантовому процесорі”.
До цих пір єдиним способом керувати кількома атомними ядрами було те, щоб вони були розміщені дуже близько між собою всередині твердих речовин, і бути оточеним одним і тим самим електроном.
“Більшість людей вважають електрон як найдрібнішу субатомну частинку, але квантова фізика говорить нам, що вона має здатність” розповсюджуватися “у космосі, щоб вона могла взаємодіяти з численними атомними ядрами”, – каже доктор Холлі Стемп, яка проводила це дослідження в UNSW і зараз є постдторним дослідником у Міт в Бостоні.
“Незважаючи на це, діапазон, над яким може розповсюджуватися електрон, є досить обмеженим. Більше того, додавання більше ядер до одного і того ж електрона робить його дуже складним для контролю кожного ядра окремо”.
Виконання атомних ядер розмови через електронні «телефони»
“За метафорою можна сказати, що до цих пір ядра були схожими на людей, розміщених у звуковій кімнаті”, – говорить доктор Стемп.
“Вони можуть спілкуватися між собою до тих пір, поки всі вони в одній кімнаті, і розмови дійсно зрозумілі. Але вони нічого не чують ззовні, і є лише стільки людей, які можуть поміститися всередині кімнати. Цей спосіб розмови не” масштабує “.
“З цим проривом це так, ніби ми дали людям телефони спілкуватися з іншими кімнатами. Усі кімнати все ще приємні і тиші зсередини, але тепер ми можемо вести розмови між багатьма іншими людьми, навіть якщо вони далеко”.
“Телефони” насправді є електронами. Марк Ван Бланкенштейн, ще один автор паперу, пояснює, що насправді відбувається на субатомічному рівні.
“За їх здатністю розповсюджуватися в просторі, два електрони можуть” торкатися “один одного на певній відстані. І якщо кожен електрон безпосередньо поєднаний з атомним ядром, ядра можуть спілкуватися через це”.
То як далеко один від одного були ядра, залучені до експериментів?
“Відстань між нашими ядрами становила близько 20 нанометрів – одна тисячна частина ширини людського волосся”, – каже доктор Стемп.
“Це не так багато, але врахуйте це: якби ми масштабували кожне ядро до розміру людини, відстань між ядрами буде приблизно такою ж, як між Сіднеєм та Бостоном!”
Вона додає, що 20 нанометрів – це масштаб, на якій сучасні кремнієві комп’ютерні мікросхеми регулярно виготовляються для роботи в персональних комп’ютерах та мобільних телефонах.
“You have billions of silicon transistors in your pocket or in your bag right now, each one about 20 nanometers in size. This is our real technological breakthrough: getting our cleanest and most isolated quantum objects talking to each other at the same scale as existing electronic devices. This means we can adapt the manufacturing processes developed by the trillion-dollar semiconductor industry, to the construction of quantum computers based on the spins of atomic ядра “.
Масштабний шлях вперед
Незважаючи на екзотичний характер експериментів, дослідники кажуть, що ці пристрої залишаються принципово сумісними з способом побудованості всіх поточних комп’ютерних мікросхем. Атоми фосфору були введені в CHIP командою професора Девіда Джеймісона в Мельбурнському університеті, використовуючи ультрачиста кремнієва плита, що постачається професором Кохеєм Іто в Університеті Кеййо в Японії.
Знявши потребу в атомних ядрах до одного і того ж електрона, команда UNSW відкинула найбільшу блокпоству до масштабу квантових комп’ютерів кремнію на основі атомних ядер.
“Наш метод є надзвичайно надійним і масштабованим. Тут ми просто використали два електрони, але в майбутньому ми навіть можемо додати більше електронів і змусити їх у подовженій формі, щоб ще більше розповсюдити ядра”, – говорить професор Морелло.
“Електрони легко переміщуються і” масажувати “у форму, а це означає, що взаємодія може швидко і вимикати вмикання та вимикання. Це саме те, що потрібно для масштабованого квантового комп’ютера”.
Довідка: “Масштабоване заплутування ядерних спінів, опосередкованих електронів -обміном” Холлі Г. Стемп, Марка Р. Ван Бланкенштейна, Сервана Асаада, Матеуша Т. Медзіка, Бенджаміна Джоекера, Ганнеса Р. Фергау, Арне Лаухт, Фей Е. Хадсон, Ендрю С. Джурак, Кохі М. М., Александр М. Дж. Джеймісон та Андреа Морелло, 18 вересня 2025 року, Наука.
Doi: 10.1126/science.ady3799
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
Слідкуйте за нами в Google та Google News.
