Кремниевые чипы для квантовых вычислений: новый прорыв в создании кубитов

Исследователи из Принстонского университета и других ведущих лабораторий разработали методику, которая позволяет превращать обычные кремниевые чипы, используемые в современной электронике, в платформу для квантовых вычислений. Работа опубликована в журнале Nature и описывает способ создания кубитов на основе дефектов кристаллической решетки кремния, известных как G-центры. Это открытие может кардинально упростить производство квантовых процессоров, сделав их доступными на существующих фабриках.

Как кремниевые чипы становятся квантовыми

Кремний — основа всей современной микроэлектроники. Однако для квантовых вычислений требуются кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний и быть связанными между собой. Ранее для этого использовали экзотические материалы, такие как сверхпроводники или отдельные атомы в ловушках. Новая работа показывает, что кубиты можно создавать прямо в структуре стандартного кремниевого чипа.

Ученые использовали ионы углерода, которые внедряли в кремниевую подложку. После отжига эти дефекты образовывали G-центры — стабильные источники одиночных фотонов, которые могут служить кубитами. Главное преимущество — совместимость с существующими технологиями производства чипов. Это означает, что квантовые процессоры можно будет изготавливать на тех же фабриках, что и обычные процессоры.

Какие преимущества дает использование кремния для квантовых вычислений?

Кремний давно стал стандартом в полупроводниковой индустрии, и его применение для квантовых технологий открывает путь к массовому производству. В отличие от алмазных NV-центров, которые требуют дорогостоящих материалов, кремний дешев и хорошо изучен. Кроме того, кремниевые кубиты на G-центрах работают при температуре около 4 Кельвинов, что достигается стандартными криостатами, в отличие от сверхпроводящих кубитов, требующих милликельвиновых температур. Это снижает стоимость и сложность оборудования.

Предыстория и контекст

Идея использовать дефекты в кремнии для квантовых технологий не нова — аналогичные подходы применяются для создания NV-центров в алмазе. Однако кремний дешевле, лучше изучен и интегрирован в промышленность. До сих пор главной проблемой была низкая стабильность и управляемость таких кубитов. Новое исследование демонстрирует когерентность кубитов на уровне, достаточном для выполнения простых операций.

Ранее в 2024 году группа из Делфтского университета показала возможность запутывания кубитов на кремнии, но с использованием более сложных структур. Нынешняя работа упрощает процесс, делая его более технологичным. Исследователи из Принстона сосредоточились на G-центрах, которые образуются при внедрении углерода, и добились времени когерентности более 100 микросекунд — это рекорд для подобных систем.

Как это работает?

В основе лежит явление фотонной эмиссии: при облучении лазером G-центр испускает фотон, состояние которого (поляризация или фаза) соответствует состоянию кубита. Эти фотоны можно передавать по волноводам, соединяя кубиты в цепь. Ученые продемонстрировали, что такие кубиты сохраняют квантовое состояние более 100 микросекунд — достаточно для выполнения логических операций. Длина волны излучения около 1,3 микрона совпадает с окном прозрачности оптоволокна, что упрощает создание квантовых сетей.

Технические детали и сравнение с аналогами

Кремниевые кубиты на G-центрах имеют несколько преимуществ. Во-первых, они работают при температуре около 4 Кельвинов, что достигается стандартными криостатами, в отличие от сверхпроводящих кубитов, требующих милликельвиновых температур. Во-вторых, они излучают фотоны на длине волны около 1,3 микрона, что совпадает с окном прозрачности оптоволокна — это упрощает создание квантовых сетей.

Для сравнения: кубиты на ионных ловушках имеют более высокую точность, но требуют сложных вакуумных систем. Сверхпроводящие кубиты (как у Google или IBM) быстрее, но чувствительны к шумам. Кремниевые фотонные кубиты занимают промежуточную нишу — они более стабильны, чем сверхпроводящие, и проще в масштабировании, чем ионные. Более того, они могут быть интегрированы с классической электроникой на одном чипе, что открывает путь к гибридным устройствам.

Кого затронет и как

Для разработчиков квантового оборудования это означает возможность использования существующих производственных линий. Компании вроде Intel, которые уже экспериментируют с квантовыми чипами на основе кремния, могут получить прямой путь к коммерческим продуктам. Для научного сообщества открывается платформа для создания гибридных классическо-квантовых чипов.

В России и странах СНГ, где квантовые технологии развиваются в рамках национальных программ (например, дорожная карта «Квантовые вычисления» в РФ), этот подход может быть интересен из-за доступности кремниевой технологии. Однако для внедрения потребуется развитие криогенного оборудования и источников одиночных фотонов. Тем не менее, потенциал для удешевления и масштабирования огромен.

Что будет дальше

Следующий шаг — создание логических вентилей на основе нескольких кубитов и демонстрация квантового превосходства на кремнии. Авторы работы оценивают, что для этого потребуется 2-3 года. Параллельно ведутся исследования по увеличению времени когерентности и уменьшению ошибок.

Крупные компании, такие как IBM и Google, инвестируют в кремниевые квантовые технологии, но пока не раскрывают детали. Возможно, в ближайшие годы мы увидим первые прототипы квантовых процессоров на стандартных фабриках. Ученые также работают над улучшением точности операций и созданием многокубитных систем.

Итог

Использование кремниевых чипов для квантовых вычислений — важный шаг к практической реализации. Если технология подтвердит масштабируемость, она может демократизировать квантовые вычисления, сделав их доступными не только гигантам, но и небольшим компаниям. Следите за новостями: эта область развивается стремительно. Прорыв в Принстоне — лишь начало пути к коммерческим квантовым компьютерам на кремнии.