Как создаются квантовые биты: от атомов фосфора до сверхпроводящих магнитов 0:01
Квантовые компьютеры обладают потенциалом решать задачи, на которые у классических вычислительных машин ушли бы миллионы лет, справляясь с ними всего за несколько минут. Основу этой вычислительной мощности составляют кубиты — устройства, использующие квантовую суперпозицию для резкого сокращения количества шагов, необходимых для завершения вычислений. Канал Veritasium исследовал практические методы создания кубитов на основе одиночного атома фосфора, внедренного в кристалл кремния.
⚛️ Физика электрона как кубита 0:28
В основе метода лежит использование внешнего электрона атома фосфора. Этот электрон обладает магнитным диполем, называемым «спином», который может принимать два состояния — «вверх» или «вниз», что аналогично классическим единицам и нулям.
- Магнитное управление: Чтобы дифференцировать энергетические состояния спина электрона, применяется мощное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом — большой катушкой из сверхпроводящей проволоки, погруженной в жидкий гелий.
- Температурный режим: Для работы системы аппарат охлаждается до температур на несколько сотых долей градуса выше абсолютного нуля. Это исключает тепловые колебания, которые при комнатной температуре заставляли бы электрон хаотично переключаться между состояниями.
- Запись информации: Для перевода электрона в состояние «спин вверх» используется микроволновой импульс строго определенной частоты, резонирующей с электроном в данном магнитном поле. В текущем эксперименте резонансная частота составила 45,021021 ГГц.
Путем прерывания импульса в определенный момент исследователи создают квантовую суперпозицию состояний «вверх» и «вниз» с заданным фазовым сдвигом между ними.
🔍 Считывание данных через транзисторы 2:38
Процесс считывания информации реализован с помощью транзистора, соседствующего с атомом фосфора. В транзисторе находится «лужа» электронов с определенным энергетическим уровнем.
- Если электрон атома находится в состоянии «спин вверх» (более высокое энергетическое состояние), он может «перепрыгнуть» в транзистор.
- После ухода электрона ядро фосфора, имеющее на один положительный заряд больше, чем у кремния, остается нескомпенсированным.
- Это создает эффект положительного напряжения на затворе транзистора, что приводит к кратковременному импульсу тока.
- Наличие этого импульса однозначно указывает на то, что кубит находился в состоянии «спин вверх», а его отсутствие — в состоянии «спин вниз».
🎯 Использование ядра в качестве кубита 4:15
Исследователи пошли дальше, используя в качестве кубита само ядро атома фосфора. Хотя магнитный спин ядра в 2000 раз слабее электронного, оно обладает важным преимуществом: из-за своих микроскопических размеров оно практически идеально изолировано от внешних воздействий, что обеспечивает кубиту очень долгое время жизни.
Для считывания спина ядра используется электрон в качестве датчика. Внутреннее магнитное поле ядра взаимодействует с внешним полем, создавая две разные частоты, на которых может резонировать электрон. Ядро фактически выступает как «переключатель радиостанций», определяя, на какой частоте «слушает» электрон. В реальном времени это позволяет наблюдать переключение состояний ядра каждые 5 секунд.
💎 Роль изотопически чистого кремния 6:15
Успех квантовых вычислений зависит от чистоты кремниевой подложки, так как природный кремний содержит около 5% изотопа кремния-29, который обладает собственным спином и вносит помехи. Идеальным решением стал кремний-28 с нулевым ядерным спином. Интересно, что такие сверхчистые кристаллы производятся не специально для квантовых компьютеров, а для проекта Авогадро по переопределению килограмма, а квантовым исследователям достаются лишь побочные «обрезки» этих сфер.
