Квантовые компьютеры могут решать задачи гораздо быстрее обычных, бинарных компьютеров, за счёт того, что квантовые компьютеры оперируют не с битами (имеющими только два значения – 0 и 1), а с кубитами, которые представляет собой единичные векторы, и значение которых определятся положением внутри сферы единичного диаметра. Однако, быстрота вычислений на основе кубитов имеет и обратную сторону: квантовый компьютер даёт возможность получать лишь приблизительный результат, который тем точнее, чем больше кубитов он задействует.

Чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем точнее он работает. Но создать такой квантовый компьютер сложно технически. Достаточно сказать, что для формирования кубитов часто требуется температура близкая к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию). И пока что, экспериментальные образцы квантовых компьютеров содержат не более нескольких десятков или сотен кубитов. Однако, для приемлемой точности вычислений требуются не сотни, а тысячи кубитов.

Но вот недавно, учёные из университета Саймона Фрейзера (Simon Fraser University) в Канаде создали устройство, в котором содержатся 150 тыс. кубитов. Причем это не какая-то гигантская холодильная установка, а чип на из кремния на подложке изолятора, т.е. он представляет собой обычную кремниевую микросхему, технология производства которых уже давно отработана.

Эта микросхема содержит т.н. «спиновые кубиты», которые формируются непосредственно внутри слоя кремния. Спин – это направление вращения элементарной частицы, например, электрона или фотона, внутри молекулярной структуры. Спин представляется в виде вектора, который может быть направлен вверх или вниз, смотря в какую строну вращается электрон вокруг своей оси (если считать его неким шариком, частицей, хотя, с другой стороны, как нас учит квантовая физика, он имеет и свойства волны). Более того, «спиновый кубит» может существовать в двух состояниях – т.е. он может вращаться в обе стороны одновременно, причем с разной скоростью!

Чтобы это как-то уложить в сознании, посмотрим, что из себя представляет самая большая планета солнечной системы Юпитер. Атмосфера Юпитера из адской смеси разных газов не имеет чёткой нижней границы — она плавно переходит в океан из жидкого водорода. Нижние слои содержат сложную систему из облаков и туманов, включая слои аммиака, гидросульфида аммония и воды. И все они вращаются с разной скоростью относительно друг друга. В этом плане Юпитер немного напоминает электрон с переменным спином.

Кроме того, для квантовых вычислений, отдельные кубиты должны ещё обладать свойством «спутанности» (entanglement), т.е. в некоторой степени зависеть друг от друга, как зависят друг от друга части «нунчаков» — восточного оружия, представляющего собой два коротких отрезка дерева, соединённых цепочкой или канатом.

Однако, сделать электронные спины спутанными подобным образом можно только при помощи электромагнитного поля, а для этого спутанные кубиты должны быть расположены фактически рядом. В квантовых же вычислениях часто нужно, чтобы спутанными были достаточно отдалённые друг от друга кубиты. До недавних пор это являлось основам препятствием для создания работоспособной системы кубитов на основе обычных технологий микроэлектроники, хотя создать обычный электронный кубит совсем не сложно.

Суть разработки учёных из университета Фрейзера состоит в том, что им удалось систему на чипе, в которой электронные кубиты, сформированные на кремниевой основе, связаны между собой оптически, в пределах всего чипа. Т.е. могут быть спутанные друг с другом кубиты могут быть расположены на разных концах микросхемы.

Кубиты в данной структуре представляют собой т.н. «Т-центры» (T center), котоыре представляют собой два атома углерода, один атом водорода и один свободный (непарный) электрон, спин которого служит в качестве кубита.

Ученым удалось сформировать 150 000 ячеек, называемых «микропуками» (“micropucks”), на обычной кремниевой пластине, которые широко используются для производства микросхем как «подложка» для формирования электронных элементов. Диаметр микропука составляет от 0,5 до 2,2 микрометров.

Под действием магнитного поля, каждый кубит в микропуке имеет немного различающуюся энергию и излучает свет с немного различными длинами волны. Это даёт возможность обнаруживать состояние каждого кубита (спина электрона в микропуке) оптически.

Дальше все просто: эти потоки света с длиной волны, которые обычно используются в оптоэлектронных системах связи, дают возможность кубитам (Т-центрам) быть связанными между собой в пределах квантового процессора, и более того, при достаточно больших дальностях передачи световой волны через оптоволокно, формировать квантовый Интернет.

Новое – это хорошо забытое старое. Т-центры были известны ещё в 1970х годах. Поэтому учёные из университета Фрейзера удивляются, почему раньше до такой достаточно простой идеи никто не додумался.

Подробное описание этой разработки опубликовано 13 июня 2022 года в журнале Nature.