Двухкубитная система в Si FinFET. 
а: Изображение сборного устройства, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа в искусственных цветах, с поперечным сечением вдоль ребра. 
b: Трехмерная визуализация устройства, показывающая ребро треугольной формы, закрытое круговыми воротами. 
c: Двухспиновая диаграмма энергетических уровней, близкая к зарядовому переходу (1,1)–(0,2) с (черный) и без (оранжевый) взаимодействиями. 
d: Измерения спиновой воронки обмена для обоих кубитов. 
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02481-5

Исследователи из Базельского университета и NCCR SPIN добились первого контролируемого взаимодействия между двумя кубитами со спином дырок в обычном кремниевом транзисторе. Этот прорыв открывает возможность интеграции миллионов этих кубитов в один чип с использованием отработанных производственных процессов.

Гонка за создание практичного квантового компьютера уже идет полным ходом. Исследователи по всему миру работают над огромным разнообразием кубитовых технологий. До сих пор нет единого мнения о том, какой тип кубита наиболее подходит для максимизации потенциала квантовой информатики.

Кубиты — основа квантового компьютера: они отвечают за обработку, передачу и хранение данных. Для корректной работы им необходимо не только надежно хранить, но и быстро обрабатывать информацию. Основой быстрой обработки информации являются стабильные и быстрые взаимодействия между большим количеством кубитов, состояниями которых можно надежно управлять извне.

Чтобы квантовый компьютер был практичным, миллионы кубитов должны быть размещены на одном чипе. Самые совершенные сегодня квантовые компьютеры имеют всего несколько сотен кубитов, а это означает, что они могут выполнять только вычисления, которые уже возможны (и часто более эффективны) на обычных компьютерах.

Электроны и дырки

Чтобы решить проблему расположения и соединения тысяч кубитов, исследователи из Базельского университета и NCCR SPIN полагаются на тип кубита, который использует спин (собственный угловой момент) электрона или дырки. Дырка — это, по сути, недостающий электрон в полупроводнике.

И дырки, и электроны обладают спином, который может принимать одно из двух состояний: вверх или вниз, аналогично 0 и 1 в классических битах. По сравнению со спином электрона, спин дырки имеет то преимущество, что им можно полностью управлять электрически, без необходимости использования дополнительных компонентов, таких как микромагниты на чипе.

Еще в 2022 году физики Базеля смогли показать, что спины дырок в существующем электронном устройстве можно улавливать и использовать в качестве кубитов. Эти «FinFET» (полевые транзисторы) встроены в современные смартфоны и производятся широко распространенными промышленными процессами. Теперь команде под руководством доктора Андреаса Кульмана впервые удалось добиться контролируемого взаимодействия между двумя кубитами в этой установке.

Быстрый и точный контролируемый спин-флип

Квантовому компьютеру для выполнения вычислений нужны «квантовые ворота». Они представляют собой операции, которые манипулируют кубитами и связывают их друг с другом. Как сообщают исследователи в журнале Nature Physics, им удалось соединить два кубита и вызвать контролируемый переворот одного из их спинов в зависимости от состояния спина другого — известный как управляемый переворот спина.

«Спины дырок позволяют нам создавать двухкубитные вентили, которые одновременно быстры и высокоточны. Этот принцип теперь также позволяет соединять большее количество пар кубитов», — говорит Кульманн.

Связь двух спиновых кубитов основана на их обменном взаимодействии, которое происходит между двумя неразличимыми частицами, взаимодействующими друг с другом электростатически. Удивительно, но обменная энергия дырок не только электрически управляема, но и сильно анизотропна. Это следствие спин-орбитальной связи, которая означает, что на спиновое состояние дырки влияет ее движение в пространстве.

Чтобы описать это наблюдение в модели, физики-экспериментаторы и теоретики Базельского университета и NCCR SPIN объединили усилия. «Анизотропия делает возможным использование двухкубитных вентилей без обычного компромисса между скоростью и точностью», — говорит доктор Кульманн.

«Кубиты, основанные на спинах дырок, не только используют проверенное и проверенное производство кремниевых чипов, они также хорошо масштабируются и доказали свою скорость и надежность в экспериментах». Исследование подчеркивает, что этот подход имеет большие шансы в гонке по разработке крупномасштабного квантового компьютера.