Квантовые биты или кубиты — это основные строительные блоки квантовых компьютеров — сверхмощных устройств, которые предлагают огромные преимущества для решения сложных проблем.Профессор Мишель Симмонс, руководитель исследовательской группы, сказала, что кубит, основанный на вращении отдельного электрона, связанного с атомом фосфора внутри кремниевого чипа, является одной из самых многообещающих систем для создания практического квантового компьютера, поскольку кремний широко используется в промышленность микроэлектроники.
«Однако, чтобы иметь возможность связывать электронные спины на одиночных атомных кубитах, кубиты должны быть размещены с атомной точностью, на расстоянии всего нескольких десятков нанометров друг от друга», — говорит она.«Это создает техническую проблему, как их сделать, и операционную проблему, как управлять ими независимо, когда они находятся так близко друг к другу».Команда UNSW в сотрудничестве с теоретиками из Sandia National Laboratories в Нью-Мексико нашла решение обеих этих проблем. Их исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Это значительный подвиг атомной инженерии, они смогли считывать спины отдельных электронов кластера атомов фосфора, помещенных точно в кремний. Они также предлагают новый метод различения соседних кубитов, расстояние между которыми составляет всего несколько нанометров.«Вращать вращение каждого кубита по отдельности — непростая задача, — говорит Хольгер Бух, ведущий автор нового исследования.«Если каждый электронный спин-кубит находится в одном атоме фосфора, каждый раз, когда вы пытаетесь повернуть один кубит, все соседние кубиты будут вращаться одновременно — и квантовые вычисления не будут работать».
«Но если в каждом электроне находится разное количество атомов фосфора, тогда кубиты будут реагировать на разные электромагнитные поля — и каждый кубит можно будет отличить от других вокруг», — говорит он.Команда UNSW является частью Австралийского центра передового опыта в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий, ведущего мирового исследовательского центра со штаб-квартирой в Сиднее, Австралия.
«Это элегантная и приятная работа», — говорит профессор Симмонс, директор центра и научный руководитель г-на Буха. «Эта первая демонстрация того, что мы можем поддерживать длительное время жизни спина электронов в многодонорных системах, очень мощная. Она предлагает новый метод обращения к отдельным кубитам, что делает нас на один шаг ближе к реализации практического крупномасштабного квантового компьютера».
Чтобы создать крошечное устройство, исследователи нанесли слой водорода на кремниевую пластину и использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы создать узор на поверхности в сверхвысоком вакууме.Затем он был подвергнут воздействию газообразного фосфина и отожжен при 350 градусах, так что атомы фосфора вошли точно в кремний.
Затем устройство было похоронено в другом слое кремния.В квантовом компьютере информация хранится в спине или магнитной ориентации электрона. Этот спин может находиться не только в двух состояниях — вверх и вниз — как в классическом компьютере.
Он также может находиться в комбинации обоих состояний одновременно, что позволяет хранить и обрабатывать параллельно экспоненциально большие объемы информации.