Левитиращите електрони са нови кандидати за идеални кюбити

Проблемът с квантовите компютри не е да се докаже тяхната възможност. Цялата работа се състои в мащабирането на такива компютри. Това се възпрепятства от големите физически размери на кюбитите и трудностите при техния контрол. Перфектният кюбит все още не е създаден, но кандидатите за неговата роля се появяват все по-често.

Традиционните архитектури на кюбита, като свръхпроводящи вериги или йонни капани са чувствителни към външни влияния, скъпи за производство и изискват сложна криогенна инфраструктура. Изследователите от базирания в Чикаго стартъп EeroQ предлагат обещаващ подход, като проектират и изграждат в лаборатория система, която използва единични електрони, „плаващи“ на повърхността на течен хелий.

Предложеният метод обещава да доведе до създаването на милиони кюбити на един чип, като същевременно се елиминират тесните места в интерфейса и системата за контрол на кюбитите и, най-важното, такива квантови процесори могат да се произвеждат с помощта на зрели процеси за производство на чипове, което ще бъде много евтино.

Предложеният метод обещава да доведе до създаването на милиони кюбити на един чип, като се елиминират тесните места в интерфейса и системата за контрол на кюбитите и, най-важното, такива квантови процесори могат да се произвеждат с помощта на зрели процеси за производство на чипове, които ще бъдат много евтини.

Концепцията на EeroQ се основава на така наречения ефект на „огледалния заряд“ на интерфейса – това е виртуален заряд, който се получава в резултат на стабилизирането на електромагнитното поле на заредена частица в близост до проводник или диелектрик. Когато отрицателно зареден електрон се приближи до повърхността на течен хелий, под повърхността му се появява слаб положителен заряд, който стабилизира положението на електрона в пространството. Течният хелий действа като допълнителен стабилизатор. В резултат на това електронът се носи над повърхността на хелия. Благодарение на стабилизиращите фактори той става по-малко чувствителен към смущения – основният бич на всички кюбитови схеми.

Предложената схема представлява готов капан за електрони.

Свръхфлуидните свойства на течния хелий му позволяват да се разпределя равномерно през микроканалите в чипа без смущения. Същата среда открива възможност за транспортиране на електрони от един капан в друг, което означава, че чипът може да извършва изчисления, използвайки електрони като кюбити. В своите експерименти изследователите от EeroQ са показали, че електроните могат да изминат фантастични разстояния през чипа – до един километър или повече.

С помощта на волфрамова нишка и електромагнитни електроди учените запълват капаните с електрони, които изолират с енергийни бариери, като просто увеличават напрежението върху контактите на капана. Тъй като капаните са свързани с резонатори, по тяхната честота може да се съди колко електрона има. Тези частици могат да бъдат буквално изтласкани от капаните една по една, като просто се променя височината на енергийните бариери (напрежението върху контактите), докато остане само една частица и с нея може да се работи като с кюбит.

Ключово предимство на разработката е високата спинова кохерентност на електрона (способността му да остане в състояние на суперпозиция за дълго време), която според главния научен експерт на EeroQ Йоханес Поланен „не може да бъде по-лоша, отколкото в силиция, и потенциално достига фантастични стойности“. Системата използва стандартни CMOS процеси за изработване на електроди и вериги, което опростява масовото производство и позволява интегрирането на милиони кюбити без свръхмодерни полупроводникови скенери.

Учените вече са демонстрирали улавянето и контрола на един електрон, както и придвижването му на значителни разстояния (до един километър) без загуба на стабилност.

Следващата стъпка е да се кодира информация в спина на електрона, за да се създадат работещи кюбити. За да се намали декохерентността от нехомогенни магнитни полета, се планира да се използват двойки електрони с противоположни спинове: всяка фаза, нарушена в единия, ще се компенсира в другия. Това ще позволи логически операции и взаимодействия между кюбитите, преместване на електрони в чипа за прилагане на квантови алгоритми.

Подходът на EeroQ може да революционизира квантовите изчисления, като направи платформите компактни, евтини и мащабируеми, с минимален външен интерфейс за управление на милиони кюбити. Въпреки че технологията все още е в ранен етап – без пълноценни гейтове или мащабна интеграция – нейният потенциал е огромен. Премахването на ключови бариери, като сложността на производството и чувствителността към шума, открива пътя към практически квантови компютри, способни да решават проблеми, недостъпни за класическите системи. В крайна сметка това откритие подчертава как преосмислянето на материалите и физическите ефекти може да преодолее дългогодишните ограничения в квантовите компютри.