«Почти совершенный» контроль над отдельными атомами является основным продвижением к квантовым вычислениям

Доктор Тейлор Загружает образец в сканирующий туннельный микроскоп (STM), используемый для выполнения изготовления атомной шкалы.Кредит: Agnese Abrusci/UCL

Новый процесс изготовления, который можно использовать для создания квантового компьютера, достигает почти нулевой частоты отказов и может быть увеличенным, согласно новым исследованиям инженеров и физиков в UCL.

Исследование, опубликованное в Advanced Materials, описывает первую успешную попытку надежно позиционировать отдельные атомы в массиве с тех пор, как эта идея была впервые предложена 25 лет назад.Практически 100% точность и масштабируемость подхода повышают возможность создания квантового компьютера, способного решать самые сложные проблемы в мире - хотя существенные инженерные проблемы все еще необходимо преодолеть, чтобы понять эту амбиции.

Теоретически, квантовые вычисления имеют потенциал для решения сложных задач, которые «классические» двоичные, на основе транзисторов компьютеры никогда не смогут решать.Один из способов, которым могут быть созданы ворота в универсальном квантовом компьютере, известный как кубиты (квантовые биты), - это от одиночных атомов, помещенных в кремний, охлаждаемый до чрезвычайно низких температур, чтобы сохранить их квантовые свойства стабильными.Затем их можно манипулировать электрическими и магнитными сигналами для обработки информации, почти так же, как бинарный транзистор в классическом компьютере манипулируется для вывода нуля или одного.

Это позволяет компьютеру использовать силу квантовой механики, глубокие законы физики, которые определяют, как работает вселенная.Это включает в себя такие явления, как суперпозиция, или способность кубитов быть во многих различных договоренностях одновременно, и квантовая запутанность, которая является способностью быть неразрывно связанными кубитами.

Эти функции означают сложные проблемы, которые могут быть представлены новыми способами.Для проблемы с исключительно большим количеством возможных результатов, квантовый компьютер может одновременно учитывать возможности, а не по одному, как обычный компьютер, что потребует лучших суперкомпьютеров миллионы лет.

Различные подходы к созданию квантового компьютера находятся в стадии реализации, но ни один из них еще не удалось достичь масштаба и требуется низкая частота ошибок.

Одним из подходов к созданию квантового компьютера является точное расположение индивидуальных «примесей» в кристалле кремния, что позволяет манипулировать их квантовыми свойствами образуя кубиты.Одним из преимуществ этого подхода является то, что он по своей природе имеет низкую частоту ошибок кубита и лежит в основе масштабируемых кремниевых микроэлектронных технологий.

Стандартный подход использует фосфор в качестве атома примесей, но поскольку отдельные атомы фосфора могут быть расположены только с уровнем успеха 70%, эта система остается в некоторой степени от почти нулевой скорости отказов, которая требуется для создания квантового компьютера.

В этом исследовании исследователи из UCL предположили, что мышьяк может быть лучшим материалом, чем фосфор для достижения низкой частоты отказов, необходимой для создания квантового компьютера.

Они использовали микроскоп, способный идентифицировать и манипулировать отдельными атомами, похожими на иглу на виниловом проигрывателе, чтобы точно вставить атомы мышьяка в кремниевый кристалл.Затем они повторили этот процесс, чтобы построить 2x2 массив отдельных атомов мышьяка, готовых стать кубитами.

Доктор Тейлор Сток, первый автор исследования UCL Electronic & Electrical Engineering, сказал: «Наиболее продвинутые системы квантовых вычислений в разработке все еще сталкиваются с двойными проблемами, как смягчить частоту ошибок QUBIT и как масштабировать количествокубиты.

“Надежное, атомно-прецептное изготовление может быть использовано для построения масштабируемого квантового компьютера в кремнии. Преобладающим взглядом было то, что изготовление одноатмома с использованием мышьяка будет страдать те же проблемы, что и фосфор. Но, основываясь на наших расчетах, мы осознали, что отдельный мышьяк.может быть размещен более надежно, чем фосфор, и мы смогли сделать это успешно.

«Мы были консервативны в оценке того, что мы можем разместить атомы с точностью 97%, но мы уверены, что это может быть увеличено до 100% в ближайшем будущем».

На данный момент метод, разработанный в исследовании, требует, чтобы каждый атом был расположен вручную по одному, что занимает несколько минут.Теоретически этот процесс может быть повторен на неопределенный срок, но в практическом плане будет необходимо автоматизировать и индустриализовать процесс для создания универсального квантового компьютера, что означает создание массивов из миллионов, десятков миллионов или даже миллиардов кубитов.

Авторы говорят, что кремниевая полупроводниковая промышленность, в настоящее время стоимостью около 550 миллиардов долларов, должна иметь возможность вносить свой вклад в продвижение поля, поскольку мышьяк и кремний обычно используются при построении полупроводников для классических вычислений.Ожидается, что подход, разработанный в этом исследовании, будет очень совместим с текущей полупроводниковой обработкой и, надеюсь, может быть интегрирована после решения инженерных проблем.

Профессор Нил Керсон, старший автор исследования UCL Electronic & Electrical Engineering, сказал: «Способность размещать атомы в кремний с почти идеальной точностью и таким образом, чтобы мы могли масштабироваться, является огромной вехой для области квантовых вычислений,В первый раз, когда мы продемонстрировали способ достижения точности и масштаба.

«Теперь у нас есть огромный инженерный вызов, чтобы сделать это быстрее и легко сделать это, но это первый раз, когда я почувствовал, что может быть построен универсальный квантовый компьютер».

Больше информации: Taylor J. Z. Stock et al., Одиночный контроль включения мышьяка в кремниевом изготовлении для изготовления искусственной решетки с высокой степенью Yield, усовершенствованных материалов (2024).Doi: 10.1002/adma.202312282