Квантовый танец дырок: как ученые приблизились к созданию промышленного квантового компьютера

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир квантовых компьютеров полон загадок и невероятных возможностей. В этой гонке технологий на передний план выходят спиновые кубиты — крошечные частицы, способные хранить информацию в своем квантовом спине. Среди них выделяются кремниевые спиновые кубиты на основе дырок — своеобразных «отсутствий» электронов в полупроводнике. Ученые из Базельского университета сделали важный шаг к созданию квантового компьютера на основе таких кубитов, размещенных в транзисторах FinFET, которые уже широко используются в современной электронике.


Абстрактное представление
Автор: Designer

Сила «пустоты»

Дырки, в отличие от электронов, обладают рядом преимуществ: их спин можно контролировать электрически, без громоздких микромагнитов, а также они менее подвержены влиянию шумов, что обеспечивает высокую когерентность. Использование FinFET транзисторов открывает путь к масштабированию квантовых компьютеров, опираясь на десятилетия развития полупроводниковой промышленности.

Квантовый танец в ритме взаимодействия

Однако для создания универсального квантового компьютера недостаточно просто управлять отдельными кубитами, необходимо заставить их взаимодействовать. В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, ученые из Базеля демонстрируют, как можно контролировать обменное взаимодействие между двумя спиновыми кубитами на основе дырок в FinFET.

a, Ложноцветное изображение просвечивающего электронного микроскопа совместно изготовленного устройства, показывающее поперечное сечение вдоль ребра. Кубиты (Q1, Q2) расположены под плунжерными затворами (P1, P2) и управляются путем подачи микроволн на P1-затвор. Барьерные затворы (B) управляют междоузельным туннелированием; ведущие затворы (L1, L2) накапливают дырочные резервуары. Измерения выполнены на приборе с B- и P-затворами шириной ≃20 нм. b. Трехмерный рендер прибора, иллюстрирующий ребро треугольной формы, покрытое оборачивающимися затворами. c. Диаграмма уровней энергии двух спинов вблизи зарядового перехода (1,1)-(0,2) с учетом (черный) и без учета (оранжевый) взаимодействий. Несоответствие g-тензора приводит к смешанным состояниям синглет-триплет. Синглетное состояние S02 гибридизирует с антипараллельными (параллельными) двухспиновыми состояниями за счет спин-консервативного туннелирования (SOI). Конечное обменное расщепление J∥ понижает энергию антипараллельных двухспиновых состояний по сравнению с параллельными. d, Измерения обменной спиновой воронки для обоих кубитов, показывающие увеличение (уменьшение) f1↑, f2↑ (f1↓, f2↓) на верхней (нижней) ветви. Данные получены при VB = -820 мВ и ∣B∣ = 0,146 Т с ориентацией α = 30°, β = 0°.
Автор: Geyer, S., Hetényi, B., Bosco, S. et al. Anisotropic exchange interaction of two hole-spin qubits. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02481-5 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Оказалось, что благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию, обменное взаимодействие имеет анизотропный характер — его сила меняется в зависимости от направления магнитного поля. Это свойство позволило исследователям реализовать быстрый двухкубитовый гейт, который является основой для создания универсального квантового компьютера.

От анизотропии к высокой точности

Анизотропия обменного взаимодействия открывает перед учеными новые горизонты. Во-первых, она позволяет создавать гейты, работающие одновременно и быстро, и точно. Во-вторых, такая система становится более устойчивой к изменениям параметров кубитов, что крайне важно для создания крупных квантовых компьютеров.

a-e, Частота обмена как функция направления магнитного поля, которое выражается через углы α и β (см. систему координат в g), для пяти различных плоскостей при ϵ = -4,03 мэВ: α изменяется, β = 90° (a); α изменяется, β = 0° (b); α = 90°, β изменяется (c); α изменяется, β = 45° (d); и α изменяется, β = -45° (e). Для некоторых ориентаций B кубиты не могли быть считаны через спиновую блокаду Паули и, следовательно, J∥/h (черные точки) не могли быть определены. f, Зависимость J∥/h от расстройки для B, приложенного в направлении x. Разноцветные кривые в a-e и оранжевая в f представляют собой общую подгонку уравнения (3) ко всем данным, представленным на этом рисунке. В то время как красные пунктирные кривые в a-e визуализируют ∣J⊥∣/h, синие пунктирные кривые иллюстрируют обменную модуляцию из-за различных и анизотропных g-тензоров в отсутствие SOI. g, Схематическое изображение структуры плавника (черные и серые линии), наложенное на 3D график поверхности ∣J∥∣/h. Цветными пунктирными прямоугольниками обозначены плоскости a-e. Данные, представленные на этом рисунке, взяты при VB = -820 мВ, а столбики ошибок учитывают ширину линии EDSR и неопределенности в поле B из-за захвата магнитного потока.
Автор: Geyer, S., Hetényi, B., Bosco, S. et al. Anisotropic exchange interaction of two hole-spin qubits. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02481-5 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Взгляд в будущее

Исследователи из Базеля продемонстрировали, что FinFET транзисторы могут стать основой для создания квантовых компьютеров. Следующий шаг — повышение надежности и масштабирование технологии, чтобы квантовый компьютер вышел из лаборатории и стал реальностью.

a, Последовательность импульсов для операции CROT. Трапецеидальная форма волны с темпом 20 нс используется для инициализации спинов в-состоянии и для считывания их состояния после подачи двух СВЧ-всплесков, резонансных с Q2 (f2↓ = 4,25 ГГц) и Q1 (f1↑ = 4,66 ГГц). b. Измерение четности кубитов, демонстрирующее условный поворот Q1 под контролем состояния Q2. Эти данные получены при J∥/h ≈ 80 МГц, VB = -810 мВ, ∣B∣ = 0,146 Т, α = 25°, β = 0° и ϵ = -2,9 мэВ. c, Численно рассчитанная верность затвора CNOT в зависимости от обменного расщепления J∥ (нижняя ось x) и(верхняя ось x, обе оси в единицах ΔEZ) для анизотропного обмена, с параметрами как в b (синий) и изотропного обмена (оранжевый). Заштрихованные области указывают на точность численных данных.
Автор: Geyer, S., Hetényi, B., Bosco, S. et al. Anisotropic exchange interaction of two hole-spin qubits. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02481-5 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Возможно, в будущем мы увидим квантовые чипы, произведенные на тех же фабриках, где сегодня создаются обычные процессоры для наших компьютеров и смартфонов. А это значит, что квантовые технологии станут доступнее и откроют новые возможности для решения сложнейших задач в медицине, материаловедении и других областях.

Если дырки — это «отсутствие» чего-то, как они могут взаимодействовать?

В квантовом мире дырки — не просто пустоты, а полноценные квазичастицы, обладающие собственным спином и другими квантовыми свойствами. Их взаимодействие, обусловленное перекрытием волновых функций, позволяет реализовать двухкубитовые гейты, необходимые для квантовых вычислений.

Когда электрон покидает атом гелия, на его месте остается дырка. При этом атом становится положительно заряженным.
Автор: Д. Ильин: translation, optimization. File:Electron-hole.svg by User:Sir_Link, CC0 Источник: commons.wikimedia.org

Как можно использовать анизотропию обменного взаимодействия на практике?

Анизотропия позволяет найти «сладкие точки» — определенные направления магнитного поля, где обменное взаимодействие максимально сильное и одновременно изотропное. Это позволяет создавать гейты с высокой точностью и скоростью, что критически важно для практической реализации квантовых вычислений.

FinFET — это уже устаревшая технология. Почему ученые используют ее для создания квантовых компьютеров?

FinFET транзисторы, несмотря на появление более современных технологий, остаются актуальными благодаря своей надежности и отработанности производственных процессов. Это позволяет надеяться на быстрое масштабирование квантовых компьютеров и их интеграцию с классической электроникой на одном чипе.

Квантовые компьютеры на основе дырок — единственный путь развития?

Нет, существует множество других подходов к созданию квантовых компьютеров, например, на основе сверхпроводящих кубитов или ионов. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и пока не ясно, какой из них окажется наиболее перспективным.