# Veritasium: Как создаются квантовые биты

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=zNzzGgr2mhk
Канал: Veritasium
Опубликовано: 23.07.2013

---

## Как создаются квантовые биты: от атомов фосфора до сверхпроводящих магнитов
[[JUMP:00:01]]

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
[[JUMP:00:28]]

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
[[JUMP:2:38]]

Процесс считывания информации реализован с помощью транзистора, соседствующего с атомом фосфора. В транзисторе находится «лужа» электронов с определенным энергетическим уровнем.

1.  Если электрон атома находится в состоянии «спин вверх» (более высокое энергетическое состояние), он может «перепрыгнуть» в транзистор.
2.  После ухода электрона ядро фосфора, имеющее на один положительный заряд больше, чем у кремния, остается нескомпенсированным.
3.  Это создает эффект положительного напряжения на затворе транзистора, что приводит к кратковременному импульсу тока.
4.  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
[[JUMP: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
[[JUMP: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.