Квантовые кубиты научились делать на тех же станках, что и обычные чипы
Квантовые компьютеры пытаются вывести из лабораторий на фабрики, где уже выпускают обычные кремниевые микросхемы. Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса, бельгийского исследовательского центра imec и компании Diraq показали, что высокоточные квантовые операции можно выполнять на кремниевом устройстве, изготовленном с использованием промышленно совместимого 300-мм CMOS-процесса. Результаты опубликованы в Nature Communications.
В основе разработки лежат спиновые кубиты на так называемых дырках в кремнии. В физике полупроводников дыркой называют отсутствие электрона в заполненной энергетической зоне, которое ведет себя как положительно заряженная квазичастица. Спин дырки можно использовать для хранения квантовой информации почти так же, как спин электрона, но сильное спин-орбитальное взаимодействие позволяет управлять кубитом непосредственно электрическими сигналами.
Дырочные кубиты долго уступали электронным аналогам по качеству операций. Сильное взаимодействие с электрическим окружением делает дырки чувствительными к неоднородностям материала и усложняет управление спином. Новая работа показала, что промышленное качество изготовления позволяет заметно сократить разрыв. Для отдельных однокубитных операций исследователи получили точность до 99,8%, которую авторы называют лучшим результатом для дырочных спиновых кубитов в природном кремнии.
Высокая скорость стала еще одним преимуществом платформы. Экспериментальная частота осцилляций Раби достигла 23 МГц, а минимальное время поворота состояния кубита на половину периода составило 10 нс. По расчетам команды, используемое оборудование ограничивало скорость сильнее самого квантового устройства. Авторы допускают возможность повышения частоты управления примерно до 200 МГц. В почти идентичных устройствах дырочные кубиты уже работали примерно в 20 раз быстрее электронных.
Команда также продемонстрировала взаимодействие двух кубитов через обменную связь между соседними квантовыми точками. Исследователи смогли управлять силой взаимодействия примерно в диапазоне двух порядков и получили коэффициент качества двухкубитной операции 240. Такой показатель соответствует расчетному физическому пределу точности около 99,7%. Речь идет именно об оценке предельной точности по измеренному коэффициенту качества, а не о прямом измерении двухкубитной операции с точностью 99,7%.
Отдельное значение имеет материал подложки. Эксперимент проводили на природном кремнии без предварительной изотопной очистки. В таком материале присутствует около 4,7% изотопа кремния-29 с ненулевым ядерным спином, который создает дополнительный квантовый шум. Изотопно очищенный кремний способен уменьшить влияние ядерных спинов и потенциально дополнительно повысить стабильность кубитов.
Разработанная структура почти повторяет геометрию устройств, на которых ранее создавали высокоточные электронные спиновые кубиты. Разница в основном связана с контактами для работы с дырками. Общая производственная платформа открывает возможность размещать электронные и дырочные кубиты в рамках совместимой кремниевой технологии и в перспективе объединять квантовые элементы с управляющей CMOS-электроникой.
Работа пока не означает, что современные фабрики смогут без изменений начать массово выпускать квантовые процессоры. Эксперимент показывает более фундаментальную вещь: высокоскоростные и высокоточные квантовые операции удалось реализовать в архитектуре, тесно связанной с технологическими процессами современной полупроводниковой промышленности. Для масштабирования квантовых компьютеров подобная совместимость может оказаться не менее важной, чем очередной рекорд точности отдельного кубита.