Кремний готов к квантовой эре: технология легко встраивается в современные чипы

Квантовые технологии уже давно обещают революцию в вычислительной технике. Главный их козырь — использование квантовой запутанности, особого состояния, при котором частицы остаются связанными, даже если находятся на расстоянии.

Именно она является фундаментом будущих квантовых компьютеров. Недавно учёные из Университета Нового Южного Уэльса (Сидней) продемонстрировали уникальный результат: они добились запутанности между ядрами двух атомов фосфора, внедрённых в кремниевый чип.

"Запутанные атомные ядра могут стать надёжными носителями квантовой информации", — отмечают авторы исследования.

Эксперимент опубликован в журнале Science и считается серьёзным шагом к практическому созданию квантовых процессоров, совместимых с существующими кремниевыми технологиями.

Как работала старая схема

До этого момента запутанность создавали между ядрами атомов, которые располагались очень близко друг к другу. Их связывал общий электрон, что позволяло управлять ими. Но подход имел ограничения: чем больше ядер подключалось к одному электрону, тем труднее было индивидуально управлять каждым из них.

Новый метод: два электрона вместо одного

Австралийские исследователи применили иной подход. В чипы имплантировали атомы фосфора и использовали ядра этих атомов для кодирования информации. Каждый атом имел "своего" электрона, и именно электроны стали связующим каналом: их способность "распространяться" в пространстве обеспечила взаимодействие между ядрами на расстоянии 20 нанометров.

Для наглядности: 20 нанометров — это меньше одной тысячной толщины человеческого волоса и сопоставимо с размерами транзисторов в современных микросхемах. Таким образом, новая технология потенциально совместима с уже существующей архитектурой кремниевых чипов.

Сравнение методов

Советы шаг за шагом: как развивать квантовые чипы

1. Использовать кремниевые платформы — это снижает барьер для интеграции с существующими процессорами.

2. Улучшать контроль расстояний между атомами — точность расположения должна быть на уровне нанометров.

3. Разрабатывать методы защиты от внешних шумов, чтобы продлить "время жизни" кубитов.

4. Проводить эксперименты с увеличением числа ядер для проверки масштабируемости.

5. Тестировать совместимость с классической электроникой.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагаться исключительно на общий электрон.

• Последствие: трудности в управлении большими системами.

• Альтернатива: использование независимых электронов как "каналов связи".

• Ошибка: игнорировать проблему шумов.

• Последствие: быстрая потеря информации.

• Альтернатива: внедрение технологий коррекции ошибок и экранирования.

А что если…

А что если технология действительно позволит объединять десятки и сотни атомных ядер в одном чипе? Это приблизит создание квантовых процессоров, способных решать задачи, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам. Но также откроет дискуссию о кибербезопасности: такие устройства смогут взламывать современные системы шифрования.

FAQ

Как выбрать платформу для квантовых вычислений?
Сегодня активно развиваются несколько направлений: ионные ловушки, сверхпроводники и атомные ядра. Кремний удобен тем, что совместим с существующими чипами.

Сколько стоит экспериментальная установка для квантовой физики?
Стоимость может достигать десятков миллионов долларов, включая лазеры, криостаты и нанолитографию.

Что лучше: электронные или ядерные кубиты?
Электронные быстрее, но менее стабильны. Ядерные дольше сохраняют информацию, но сложнее в управлении.

Мифы и правда

• Миф: квантовые компьютеры заменят классические.

• Правда: они будут работать параллельно, решая специфические задачи.

• Миф: запутанность возможна только на микроскопических расстояниях.

• Правда: она может проявляться и на больших дистанциях, что доказано в экспериментах.

• Миф: первые квантовые компьютеры появятся завтра.

• Правда: пока это лабораторные разработки, до промышленного уровня пройдёт годы.

3 интересных факта

• Квантовая запутанность впервые была описана Эйнштейном, Подольским и Розеном в 1935 году.
• В 2022 году Нобелевская премия по физике была вручена за эксперименты с запутанными фотонами.
• Кремний остаётся основным материалом для электроники более 70 лет, и теперь он становится платформой для квантовой физики.

Исторический контекст

1. 1930-е — формулировка парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена.

2. 1980-е — первые эксперименты с квантовой запутанностью фотонов.

3. 2000-е — начало исследований кубитов в кремнии.

4. 2020-е — успешная демонстрация запутанности ядер атомов в кремниевом чипе.