Физики из Австралии создали сверхскоростную электронную пушку, способную управлять движением миллиардов одиночных электронов каждую секунду, что необходимо для создания квантовых компьютеров. «Инструкции» по ее сборке были опубликованы в журнале Nano Letters.
«Обретение полного контроля над движением электронов — крайне важный шаг для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Конечно, мы умели управлять их поведением в макромасштабах еще 150 лет назад, однако на квантовом уровне они ведут себя совсем иначе», — заявил Джузеппе Теттаманци (Giuseppe Tettamanzi) из университета Аделаиды (Австралия).
Теттаманци и его коллеги из университета Нового Южного Уэльса уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.
В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре 2015 года они сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ. Два года назад им удалось защитить кубиты от помех, сделав большой шаг в сторону создания «рабочего» квантового компьютера.
Оставался один шаг — научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это было крайне тяжело, так как «обычные» квантовые ячейки памяти могут взаимодействовать друг с другом лишь на небольшом расстоянии.
Австралийские физики обошли эту проблему, используя одиночные электроны в качестве переносчиков квантовой информации. Поведением подобных квантовых «гонцов» можно легко управлять, однако получить их не так просто — для этого необходимы электронные «пушки», способные испускать по несколько миллиардов частиц каждую секунду.
Их роль могут играть квантовые точки — искусственные «атомы» из кусочков полупроводника, внутри которых существует особая область, так называемая потенциальная яма. Попадая в нее, электрон может находиться только в определенных состояниях и обладать определенной энергией, благодаря чему его движением и поведением можно очень гибко управлять.
В прошлом, как отмечает Теттаманци, ученые уже пытались создать сверхскоростные электронные «пушки» на базе квантовых точек. Они неплохо работают в тех случаях, когда число испускаемых ими частиц невысоко, однако при достижении «скорострельности» в миллион электронов в секунду их КПД и надежность резко падают.
Ученые из Аделаиды и Сиднея решили эту задачу, собрав квантовую точку из микроскопических кусочков алюминия, кремния и ряда других полупроводниковых материалов со специально подобранными свойствами, которые препятствуют побегу «лишних» электронов. Это позволило им достичь отметки в 2,5 миллиарда испускаемых электронов в секунду, не жертвуя индивидуальным контролем над движением каждой частицы.
Достижение подобного уровня «скорострельности» позволит физикам объединять даже самые недолговечные кубиты и использовать их сети для решения сложнейших задач, которые не под силу даже самым мощным компьютерам современности.