Новая технология получения квантовых битов (кубитов) в пластинах из карбида кремния может создать масштабируемую платформу для будущих квантовых компьютеров. К удивлению исследователей, квантовые биты могут быть получены даже в обычном коммерческом кремниевом чипе, созданном для привычных нам вычислений.

Рецепт изготовления на удивление прост: купите свободно продающуюся пластину из карбида кремния (термостойкий полупроводник, используемый в электромобилях, светодиодных светильниках, солнечных элементах и ​​передатчиках 5G) и выстрелите в нее электронным лучом. Луч создаст дефект в пластине, который будет вести себя, по сути, как электрон с определенным спином (квантовая характеристика элементарной частицы, ее собственный момент импульса), которым можно управлять электрически, магнитно или оптически.

«Иронично, что после 50 лет или около того попыток очистить полупроводники для создания высококачественной электроники наш план состоит в том, чтобы вернуть дефекты и использовать их для создания квантовых битов», — говорит профессор Дэвид Авшалом, занимающийся молекулярной инженерией в университете Чикаго.

Авшалом говорит, что его группа в Чикаго обнаружила, что мелкими дефектами в карбиде кремния можно манипулировать, чтобы сделать их по существу клетками при комнатной температуре для отдельных электронов, чьи спины затем можно использовать в качестве квантовых битов для всевозможных вычислений и коммуникаций.


Эти невзрачные пластины сделаны из карбида кремния.

Последующее исследование установило, что эти отдельные спины электронов внутри карбида кремния сохраняют свою квантовую информацию до миллисекунды — это немалое время в мире квантовых вычислений — и могут быть настроены и адресованы как с помощью электрических затворов, так и с помощью лазеров.

Новый метод предлагает создать редкую среду, достаточно изолированную от теплового шума, чтобы приобретать такие квантовые свойства, как запутанность, но не настолько изолированную, чтобы кубитами нельзя было манипулировать и считывать информацию через ряд вентилей и логических операций.

«Наш подход заключается в том, чтобы посмотреть, сможем ли мы использовать активно развивающуюся американскую компьютерную отрасль, чтобы доделать нашу технологию и выпустить новейшую квантовую наноэлектронику», — говорит Авшалом.

«Мы просто купили коммерческие устройства с карбидом кремния и создали в них дефекты, после чего стали смотреть, насколько хорошо они работают. Разумеется, мы были настроены довольно пессимистично, потому что такой материал не приспособлен для квантовых информационных технологий», — говорит он. «Вы можете подумать, что это пустая затея. Но в этом вся прелесть исследований: вы все равно попробуете. И мы получили целую серию явлений, которые мы, честно говоря, не ожидали увидеть».


A — это схема установки с электронным пучком, создающим дефект в кремнии. B — результат под электронным микроскопом.

Другими словами, это сработало. В своей статье, опубликованной в недавнем выпуске журнала Science, группа Авшалома сообщает, что искусственные дефекты, созданные в диодах из карбида кремния, образуют одноэлектронные карманы, которые остаются стабильными даже при температурах, значительно выше комнатной. Из-за конфигурации дефектов, связанных с симметрией решетки карбида кремния, спином отдельного электрона можно манипулировать не только магнитными полями, но и электрическими полями.

«Единственное, что мы можем сделать сегодня, это повторить технологию создания процессоров в наших гаджетах — то есть создать множество транзисторов, управляемых электрическими затворами», — говорит Авшалом. «Поэтому, если вы можете управлять их квантовыми состояниями и магнитными свойствами с помощью электрических полей, у вас есть преимущество. Вы можете масштабировать их с помощью современных электронных технологий».

Другой ключевой находкой в исследованиях группы, по его словам, является возможность настройки этих электронных спинов, чтобы работать с ними можно было при помощи лазерных импульсов.

Исследователи опубликовали еще одну недавнюю статью в журнале Science Advances, в которой говорится, что те же кубиты из карбида кремния могут быть потенциальной средой для квантовой связи. То есть спинами электронов можно манипулировать, чтобы они резонировали со светом в широком диапазоне частот (например, в диапазоне 800 ГГц). При этом, как говорит Авшалом, ширина линии спинов довольно узкая — всего 20 мегагерц.


Нет, это не ночное небо, снятое на iPhone. Эти желто-зеленые точки представляют участки на пластине из карбида кремния, где электронный луч выбил один атом кремния и один атом углерода. То, что осталось, это «дивакансионный» карман, в котором находится один адресуемый электрон.

Это означает, что любой отдельный кубит потенциально может быть настроен для связи в одном из примерно 40 000 отдельных частотных диапазонов — что-то вроде квантового радиоприемника с примерно 40 000 отдельными каналами. «Вы можете начать думать о квантовом мультиплексировании в коммерческой кремниевой пластине», — говорит Авшалом.

Для ясности — у группы Авшалома в настоящее время нет ничего похожего на работающий квантовый компьютер. С технической точки зрения, у них еще нет даже доказуемо жизнеспособного квантового бита — например, такого, на котором можно надежно и многократно проводить квантовые вычисления или обмениваться квантовыми данными. Но, с другой стороны, у них есть потенциальные кубиты и квантовые компьютерные технологии с изрядной долей врожденных перспектив.

«Мы пока не строим квантовые компьютеры из карбида кремния», — говорит Авшалом. «Но, что удивительно, достаточно легкодоступные пластины имеют прекрасные квантовые свойства, которые могут стать объектом изучения для многих исследователей. Одна из захватывающих вещей в этом открытии — даже небольшие лаборатории могут через интернет купить эти кремниевые пластины и провести над ними квантовые эксперименты».