Кубиты впервые получены в материале для бытовой электроники

Десятилетиями препятствием для создания квантовых компьютеров служило то, что кубиты можно было создать лишь в экзотических и дорогостоящих условиях. Теперь же они созданы в материале, применяемом для изготовления обычной электроники: карбиде кремния. Возможно, не за горами интеграция квантовых и классических технологий.
Достижение описано в двух научных статьях, опубликованных в журналах Science и Science Advances.
"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о кубитах (квантовых аналогах компьютерных битов, сохраняющих информацию). Вкратце напомним, что это основная единица памяти квантового компьютера. Физически кубит представляет собой систему, способную достаточно долго сохранять своё квантовое состояние и изменять его по команде управляющего устройства.
Создать такую систему непросто, ведь обычно квантовые состояния легко разрушаются под воздействием внешней среды. Физикам приходится идти на ухищрения, охлаждая вещество до сверхнизких температур, используя особые материалы и так далее. Получаются дорогостоящие лабораторные образцы, но никак не электроника для массового производства.
Однако теперь исследователи нашли способ создавать кубиты, используя карбид кремния (SiC). Этот материал широко используется в обычных электронных устройствах, например, в мощных светодиодах.

"Возможность создавать и контролировать высокопроизводительные квантовые биты в коммерческой электронике стала для нас неожиданностью, – признаётся ведущий автор обеих статей Дэвид Авшалом (David Awschalom) из Чикагского университета. – Эти открытия изменили наш подход к разработке квантовых технологий. Возможно, мы сможем найти способ использовать современную электронику для создания квантовых устройств".

Специалистам давно известно, что дефекты кристаллов карбида кремния могут достаточно долго сохранять квантовое состояние. Но созданию кубитов на их основе мешала нестабильность заряда и слишком широкий диапазон энергий фотонов, которые он излучает или поглощает при переходе из одного квантового состояния в другое.
Авшалом и его коллеги обнаружили, что с этими проблемами можно справиться, если сделать из карбида кремния диод. Так называется элемент, сопротивление которого зависит от полярности приложенного напряжения (проще говоря, от того, на какой из входов подан "плюс", а на какой – "минус"). "Прямое" напряжение создаёт сравнительно большой ток, а "обратное" – значительно меньший.
Как установили физики, подходящее так называемое обратное напряжение создаёт внутри диода из SiC сильные электрические поля, которые превращают дефекты кристалла в хорошо управляемые кубиты. При этом фотоны, испускаемые или поглощаемые такой системой при переходе между квантовыми состояниями, по частоте становятся близки к телекоммуникационному диапазону.

"Это делает их (фотоны – прим. ред.) хорошо подходящими для передачи на большие расстояния через ту же оптоволоконную сеть, которая уже поддерживает 90% всего международного обмена данными во всём мире", – утверждает Авшалом.

Чем же объясняется успех нового подхода? Обычно дефекты кристалла SiC не работают в качестве кубитов из-за наличия в веществе примесей. Электроны этих примесей влияют на поведение системы, делая её нестабильной и плохо управляемой. Можно было бы попытаться очистить кристаллы карбида кремния от примесей, но тогда учёным пришлось бы вернуться к истокам. Ведь изначально ставилась задача получить кубиты внутри коммерчески доступного материала.
Поэтому исследователи использовали мощное электрическое поле. Оно создаётся в диоде в обратном режиме и позволяет обуздать электроны, которые вносят сумятицу в получаемый сигнал.

"Вся теория предполагает, что для достижения хорошего контроля за квантовыми состояниями в материале он должен быть чистым и свободным от флуктуирующих полей, – объясняет член исследовательской группы Кевин Мяо (Kevin Miao). –Наши результаты показывают, что при правильной конструкции устройство может не только смягчать [эффект], оказываемый этими примесями, но и создавать дополнительные формы контроля, которые ранее были невозможны".