Ученые научили атомы в кремнии «разговаривать» друг с другом на расстоянии
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) сумели заставить атомы в кремнии «общаться» друг с другом на расстоянии, используя электроны в роли своеобразных курьеров. Результаты опубликованы в журнале Science.
Речь идет о квантовой запутанности — явлении, при котором две частицы ведут себя так, будто связаны невидимой нитью, даже находясь далеко друг от друга. Запутанность — это главный козырь будущих квантовых компьютеров, тех самых, от которых ждут переворота в вычислительной технике.
Команда под руководством профессора Андреа Морелло сделала ставку на кремний и атомы фосфора, внедренные в кристалл. Для хранения информации использовался спин атомных ядер — одно из самых «чистых» и стабильных квантовых состояний, известных в твердом теле. Проблема лишь в том, что эти состояния настолько изолированы, что соединять их между собой оказалось крайне непросто.
«Мы показали, что можно заставить такие ядерные спины вступать в контакт, и сделали это на масштабах, привычных для производства обычных чипов», — объясняет ведущий автор работы доктор Холли Стемп, сейчас работающая в Массачусетском технологическом институте.
Холли сравнивает их с людьми:
Раньше атомные ядра походили на людей в герметично закрытой комнате — они могли переговариваться друг с другом, но не слышали соседей. Теперь же им выдали «телефоны» — электроны. Эти электроны способны растягиваться в пространстве и «дотягиваться» до разных ядер, позволяя тем обмениваться квантовыми состояниями.
Экспериментаторы добились того, что ядра, разделенные примерно на 20 нанометров, начали «разговаривать». На человеческий лад — это как если бы два человека стояли на расстоянии от Сиднея до Бостона. При этом именно на масштабе в 20 нанометров сегодня изготавливаются транзисторы в смартфонах и компьютерах. То есть новая технология изначально совместима с гигантской индустрией микроэлектроники.
За последние полтора десятка лет группа Морелло шаг за шагом показывала, что атомы в кремнии могут хранить информацию десятки секунд и выполнять логические операции с минимальной ошибкой. Но упирались в одну проблему — как соединить изолированные ядра в большую сеть. Прорыв с «электронными телефонами» снимает это ограничение и открывает путь к масштабированию.
«Мы использовали всего два электрона, но в дальнейшем их можно будет задействовать больше и придавать им нужную форму, чтобы связывать ядра на разных расстояниях», — говорит профессор Морелло.
«Электронами легко управлять, их можно быстро перемещать и включать-выключать взаимодействие. Именно этого и требует квантовый процессор промышленного уровня».
Сам чип был изготовлен с помощью сверхчистого кремния, предоставленного коллегами из Университета Кэйо в Японии, а атомы фосфора внедрены командой профессора Дэвида Джеймисона из Мельбурнского университета.
В итоге исследователи показали, что самый надежный и стабильный квантовый элемент — атомное ядро — можно встроить в архитектуру, которая работает в тех же масштабах, что и привычные кремниевые схемы. А значит, триллионная индустрия полупроводников получает шанс стать основой для реальных квантовых компьютеров.
Как подчеркнула доктор Стемп:
«Главное здесь даже не сам факт запутанности, а то, что удалось "заставить атомы говорить" в масштабе, где уже давно работает традиционная электроника. Это делает путь к практическим квантовым микрочипам куда более реальным, чем еще несколько лет назад»
