Вам, вероятно, уже доводилось читать о кубитах, об их физических носителях и способах их применения. Кубит — квантовый аналог бита, способный сохранять суперпозицию до момента измерения. В современных квантовых компьютерах в качестве кубитов применяются фотоны, электроны, захваченные ионы, квантовые точки и нейтральные атомы. Нейтральные атомы считаются одной из самых перспективных платформ, о чём подробно рассказывал @FirstJohn на SE7ENе. Здесь же мы рассмотрим полный спектр материалов, на которых могут базироваться кубиты.
Производство кубитов
Кубит (от англ. qubit) — единица квантовой информации, аналог двоичного бита, но обладающая свойствами суперпозиции и запутанности. Термин «кубит» в 1993 году ввёл физик Бенджамин Шумахер, отдав дань древнему «кубиту» — единице длины, упоминаемой в Ветхом Завете и применявшейся при строительстве Ноева ковчега.
Создание кубитов основано на управлении квантовыми частицами и измерении их спина. Ключевые требования: наличие двух однозначно различимых квантовых состояний, возможность их быстрого переключения, высокая масштабируемость (десятки миллионов кубитов на чипе площадью ≈1 см²) и миллиарды операций в секунду.
Квантовые точки
Электрон как кубит часто удерживают в квантовой точке — полости диаметром ≈10 нм, образованной слоями полупроводников (например, кремния и германия). При температуре около 0,1 К над абсолютным нулём спин электрона можно переключать полем, присваивая направлениям значения «0» и «1».
Удержание суперпозиции — критическая задача. Рекорд составляет более 1400 с для атомов иттербия-173 (Китайский техн. университет), но в коммерческих системах когерентность редко превышает миллисекунду (Университет Аалто, Финляндия).
Для квантовых точек исследуют полупроводники InAs, InSb, PbSe, PbS, InP, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, ZnS, HgTe, HgSe, ZnO, TiO2 и другие, как подробно описано у @DAN_SEA.
Кубиты на основе дефектов
Дефекты в кристалле (вакансии атомов или замещения) образуют «карманы» для электронов. Кубиты на их основе работают при более высоких температурах и легко интегрируются в чипы. В университетах Чикаго и Аргоннских лабораториях получили кубиты из нитрида алюминия и карбида кремния, пригодные для промышленного производства.
Искусственные «атомы»
Собирая кристаллы по атомам и внедряя в них ионы, учёные создают искусственные структуры с контролируемыми квантовыми свойствами. В UNSW удалось перевести нейтральный атом в ион с лишним электроном, увеличив стабильность кубита по сравнению с квантовой точкой.
Другой подход — использовать «дырки» (отсутствующий электрон) в твердом теле. Исследования @Dzurak и группы Миронова показали, что спины дырок переключаются быстрее, чем у электронов, что позволяет строить высокоскоростные «искусственные атомы».
Гибридные архитектуры
Совмещение разных типов кубитов в единой системе позволяет объединить долговременное хранение (нейтральные атомы), высокую скорость обработки (квантовые точки, дырки) и эффективный ввод-вывод (фотоны). Такой гибридный подход прокладывает путь к полностью программируемым квантовым компьютерам.
