Квантовые компьютеры обещают совершить революцию в вычислениях, решая задачи, на которые у классических систем ушли бы миллионы лет, всего за несколько минут. В центре этой технологии лежит кубит — квантовый аналог бита, использующий принципы суперпозиции. Автор канала Veritasium исследует, как на практике создаются эти устройства, обращаясь к опыту ученых, которые используют для хранения квантовой информации отдельные атомы фосфора, внедренные в кремниевые кристаллы.
⚛️ Создание кубита: электрон как носитель информации 0:28
В основе метода лежит использование самого внешнего электрона атома фосфора, помещенного в кристалл кремния рядом с крошечным транзистором. Электрон обладает собственным магнитным моментом, называемым спином, который может принимать два состояния: «вверх» или «вниз». Эти состояния служат аналогами классических нулей и единиц.
Для того чтобы различить энергетические уровни этих состояний, исследователи применяют сильное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом. Чтобы система оставалась стабильной и электрон гарантированно находился в состоянии с наименьшей энергией (спин «вниз»), аппарат охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю — всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля.
✍️ Запись и считывание данных 1:33
Запись информации на кубит происходит путем перевода электрона в состояние «вверх» с помощью импульса микроволнового излучения строго определенной частоты. В магнитном поле, используемом исследователями, эта резонансная частота составляет 45,021021 ГГц. Управляя длительностью импульса, можно создавать квантовую суперпозицию состояний с определенной фазой.
Считывание данных осуществляется с помощью транзистора, к которому «привязан» атом фосфора:
- Электрон в возбужденном состоянии («вверх») обладает большей энергией, чем электроны в «луже» (канале) транзистора.
- Благодаря этому он может «перепрыгнуть» в транзистор, вызывая детектируемый импульс тока.
- Отсутствие тока в момент измерения сигнализирует о том, что электрон находился в состоянии «вниз».
🧬 Ядерные кубиты: стабильность на новом уровне 4:15
Ученые продвинулись дальше, используя в качестве кубита ядро самого атома фосфора. Несмотря на то что ядерный спин в 2000 раз слабее электронного, он обладает рядом преимуществ:
- Изоляция: Ядро идеально изолировано от внешнего мира, благодаря чему кубиты такого типа живут значительно дольше.
- Метод записи: Применяется аналогичный подход с электромагнитным излучением, но требуются более длинные волны и импульсы из-за слабости магнитного взаимодействия.
- Чтение: Считывание состояния ядра происходит через электрон. Поскольку ядро создает собственное внутреннее магнитное поле, оно меняет резонансную частоту электрона, выступая своего рода «переключателем радиостанций».
💎 Роль кремния-28 в квантовых вычислениях 6:15
Квантовые системы крайне чувствительны к любым магнитным шумам, поэтому для их работы требуется исключить любые паразитные спины в кремниевом кристалле. Природный кремний содержит около 5% изотопа кремния-29, который обладает ядерным спином.
Идеальным решением стал изотоп кремний-28, обладающий нулевым ядерным спином и, следовательно, отсутствием магнитности. Примечательно, что такие сверхчистые кристаллы изначально производились для проекта «Авогадро» с целью переопределения килограмма, а теперь их обрезки используются в качестве идеальной «квантовой среды».
