Квантовые компьютеры: материальная база⁠⁠

Автор: Иван Прихно

Квантовые компьютеры: идея еще 80-х, а всерьез за ними бегают последние два десятка лет, ибо они могут решать недоступные для обычных вычислительных машин задачи. Некоторые алгоритмы факторизации (разложения числа на простые множители, привет криптографии), поиска или оптимизации работают на квантовых компьютерах принципиально лучше, чем на обычных. Более того, они куда эффективнее обычных машин в различных квантовохимических расчетах, интересных ученым для предсказания химических свойств соединений или физических свойств материалов. На опытных квантовых компьютерах уже удавалось проводить такие расчеты для простых, фактически модельных соединений и материалов. Я собираюсь немного рассказать про необходимые для квантовых компьютеров материалы и степень пригодности их к промышленному производству на данный момент. Спойлер: россказни про «вот сейчас мы разработаем квантовые компьютеры, и нужда в микроэлектронном производстве отпадет» – неправда.

Любые квантовые системы могут иметь только строго определенные значения энергии, причем любой из уровней занимается с определенной вероятностью. Как следствие, если у обычного компьютера бит может иметь два значения (0 или 1), в которых хранится информация, то у квантового компьютера кубит может иметь любое значение в диапазоне от 0 до 1 – собственно, определяемое вероятностью занятия положения 1 или 0. Как результат – значительно больший объем хранимой информации, требующий альтернативных алгоритмов работы с ней. За это платят крайней хрупкостью квантовых состояний с накоплением ошибок в ходе вычислений. При этом чем больше система – тем быстрее накапливаются ошибки. Чтоб все было совсем весело – классические способы коррекции ошибок не работают, поскольку любое обращение к кубиту меняет его состояние. Квантовые же алгоритмы коррекции ошибок требуют увеличения размера компьютеров и их точности, усложняя их конструирование.

Разница между битом и кубитом

Словом «кубит» называют не только единицу хранения квантовой информации, но и физическую основу для его реализации. Параметры, описывающие квантовые вычисления: время когерентности – время хранения информации в одном кубите. Ограничивается этот параметр потерями энергии или изменениями в состоянии кубита: вернее, в разности уровней энергии кубита. Какие-то из ограничений, происходящих из последнего пункта, можно обходить специальными последовательностями импульсов магнитного поля, приложенного к кубиту, но это тоже усложнение девайса. «Точность» (fidelity) квантового вентиля – логической операции над квантовой информацией, выполняемой путем приложения какого-то внешнего поля к системе – величина, показывающая, насколько точно данная операция исполняется. Ограничения данного параметра – потеря когерентности за время исполнения операции, неточности в сигналах, используемых в качестве вентилей, наличие дополнительных нежелательных состояний у кубитов. Двухкубитные вентили стабильно хуже однокубитных – из-за взаимодействия между кубитами через какие-то физические механизмы искажений значительно больше.

На данный момент предложено пять различных типов кубитов.

Первый – сверхпроводящие кубиты. Информация в них кодируется в энергетических состояниях электронных цепей, содержащих джозефсоновские соединения – пары сверхпроводников, разделенных тонким слоем другого материала, через которые течет ток без приложения внешнего напряжения. Таких кубитов уже понапридумано несколько типов. Технология одна из самых зрелых и близких к серии. Производят такие соединения, как правило, из алюминия и его оксида, иногда из ниобия, нитрида ниобия или тантала с помощью обычных методов технологии полупроводниковых микрочипов – фото- или электронно-лучевой литографии. Подложки делают либо из сапфира, либо из сверхчистого кремния высокого сопротивления – диэлектриков с низким уровнем потерь энергии электромагнитного поля в материале. В их текущем виде для борьбы с шумами эти кубиты делают большими – больше 100 микрон. Для уменьшения таких систем нужно долго изучать шумы в них и источники их появления.

Принципиальная схема сверхпроводящего кубита (трансмона). Тот маленький контактик справа - это и есть джозефсоновское соединение

Второй вариант – кубиты на квантовых точках. На полупроводник прикладывается волнообразный потенциал, в образующихся ямах (областях с низким потенциалом) находятся одиночные частицы-носители заряда: электроны или дырки. В таких условиях каждая частица имеет два энергетических уровня за счет взаимодействия спина (это собственный магнитный момент частицы, обязательно имеющийся у электрона) с внешним полем, что и позволяет кодировать информацию. Материал – кремний, зачастую изотопно очищенный, методики изготовления – стандартные полупроводниковые техники. Раньше использовали арсенид галлия, но там куча ядер с собственным магнитным моментом, что приводит к обилию шумов. В кремнии их значительно меньше, а изотопная очистка позволяет в принципе от них избавиться. Альтернативы – германий, пытаются работать на углеродных нанотрубках и графеновых слоях.

Различные типы кубитов и фирмы, работающие над ними. Квантовая точка вторая справа

Вариант номер три – центры окраски. Это состоящие из одного или нескольких атомов дефекты в структуре кристаллов, обычно в алмазе, и их энергетические состояния. Как правило, используют азотные вакансии (атом углерода в решетке алмаза замещен атомом азота). Алмазы нужного качества – вполне коммерческий продукт. Однако из-за кучи проблем (например, несовместимости с существующим телекоммуникационным оборудованием) исследуют другие дефекты в алмазе, а также дефекты в карбиде кремния или кремнии. В наличии высокие характеристики, но о масштабировании пока не задумывались.

Схема появления вакансий в структуре алмаза

Четвертый способ – ионы в электрических ловушках в сверхвысоком вакууме. Информация кодируется в их электронных состояниях. Именно на этой технологии уже удалось создать компьютеры с несколькими десятками кубитов – ионов. Используются обычно атомы однократно ионизированных двухвалентных металлов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий и внезапный (ну, с точки зрения школьной программы) иттербий в квадрупольных ионных ловушках (ловушка из переменного электрического поля радиоволновой частоты с гиперболическими или цилиндрическими электродами), производимых обычными техниками для производства микроэлектроники.

Ионная ловушка

Пятый способ, за реализацией которого бегают уже несколько лет – топологические квантовые вычисления. Тут я откровенно пас – моих математических и физических знаний, увы, не хватает, чтобы объяснить, как оно работает… Но такие вычисления попросту неуязвимы к значительной части источников ошибок.

Резюмируя – большинство современных разработок в области квантовых компьютеров с точки зрения материалов и технологий изготовления привязаны к обычным технологиям производства микроэлектроники. Технология хоть и во младенчестве, но уже способна решать некоторые задачи.

Оригинальный материал

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!