Кремниевые спиновые кубиты занимают ключевое место в разработке надёжных квантовых систем. Исследования показывают удивительные результаты: время когерентности составляет 0,5 секунды, точность однокубитных операций превышает 99,95%, а двухкубитные вентили достигли необходимого порога для устранения ошибок. Эти успехи обусловлены применением квантовых точек, формируемых затворами, и систем с легирующими атомами, такими как фосфор.
Квантовые точки, создаваемые с помощью электрических полей через нанопроводящие затворы, функционируют как «искусственные атомы», удерживая отдельные электроны. Их производство совместимо с имеющимися полупроводниковыми технологиями, что облегчает интеграцию с традиционной электроникой. Другой метод — размещение легирующих атомов при помощи ионной имплантации или сканирующей туннельной микроскопии — обеспечивает исключительно точное размещение, хотя требует изотопно чистого кремния для снижения ядерного шума.
Контроль кубитов производится через электронный спиновый резонанс (ЭСР) или электрический дипольный спиновый резонанс (ЭДСР). Последний, благодаря спин-орбитальному взаимодействию, эффективно устраняет перекрёстные помехи и ускоряет процессы. В двухкубитных вентилях центральную роль играет обменное взаимодействие: вентили SWAP, CPHASE и CNOT реализуются за счёт управления туннелированием электронов между точками. Например, выполнение вентиля SWAP занимает 1/(4J) наносекунд, где J — сила обменного взаимодействия.
Тем не менее, декогеренция остаётся сложной задачей. Зарядовый и ядерный шумы сокращают время дефазировки (T2*), особенно в кремнии с естественным изотопным составом. Исследователи работают над этой проблемой, используя кремний-28 и методы квантового неразрушающего считывания, достигающие точности 99,975% за 980 нс. Другая задача — масштабирование: высокая плотность затворов и перекрёстные помехи усложняют создание больших массивов кубитов. Выходом может стать применение 3D-архитектур и «шаттлинг» — перемещение кубитов между блоками обработки и хранения.
Перспективы технологии связаны с комбинированными подходами. Например, объединение спиновых кубитов и сверхпроводящих резонаторов позволяет передавать состояния посредством микроволновых фотонов, что имеет значение для распределённых вычислений. Уже достигнута мощная спин-фотонная связь с микромагнитами, создающими искусственное спин-орбитальное взаимодействие.
Несмотря на значительный прогресс, остаются нерешённые вопросы. Для квантовых точек, управляемых затворами, необходимо уменьшить чувствительность к зарядовому шуму, а для донорных систем — повысить точность позиционирования атомов до 3 нм. Исследователи уверены, что сочетание совместимости с кремнием, высокой точности и многообещающих экспериментов с «горячими кубитами», работающими при 1 K, прокладывает путь к созданию универсальных квантовых компьютеров в ближайшие десятилетие.
Источник: iXBT
