Физики объединили множество отдельных алмазных квантовых микрочипов при помощи фотонной интегральной схемы и изготовили 128-кубитный чип — наиболее крупное на сегодняшний день устройство такого типа. В дальнейшем подобные технологии могут стать основой для создания многокомпонентных квантовых вычислительных систем.

Работа опубликована в журнале Nature.

Если классический бит может находиться лишь в одном из двух взаимоисключающих состояний (их принято обозначать единицей и нулем), то состояние кубита — то есть квантового бита — несколько более сложное. Оно сочетает в себе нуль и единицу и характеризуется вероятностью обнаружения кубита в одном из этих состояний при измерении. Такая особенность теоретически дает кубитам огромное преимущество в записи и обработке информации по сравнению с обычными битами, однако на практике у квантовых компьютеров возникают проблемы.

Квантовые состояния могут распадаться, а кубиты — взаимодействовать друг с другом, что ограничивает время жизни вычислительной системы и приводит к появлению ошибок. Чтобы компьютер можно было надежно использовать, нужно уложить время вычислений в рамки времени стабильной работы и добиться допустимо низкого уровня ошибок — такие требования приводят, в частности, к необходимости увеличения количества кубитов (по разным оценкам, до сотен и даже миллионов единиц в одном компьютере). В то же время наращивать их число — сложная задача, поскольку в крупных системах труднее поддерживать стабильность квантовых состояний и избежать появления неодинаковых кубитов.

Исследователи из США под руководством Ноэла Вана (Noel Wan) и Тсунь-Цзюй Лу (Tsung-Ju Lu) из Массачусетского технологического института использовали и исследовали один из возможных подходов к созданию квантового чипа.

В роли кубитов выступали искусственные атомы — специальные дефекты кристаллической решетки алмаза, в которую физики при помощи сфокусированных ионных пучков встроили германиевые и кремниевые узлы.

По своим квантовым свойствам такие дефекты похожи на обычный атом — они характеризуются основным и возбужденным уровнями энергии, которым отвечают состояния кубита, и переход между которыми осуществляется с испусканием или поглощением фотонов определенной частоты. Вместе с тем по сравнению с естественными атомами эти системы проще контролировать — они сразу располагаются внутри чипа в известном зафиксированном положении.

Вместо того, чтобы связывать все кубиты в едином алмазном образце, авторы изготавливали множество отдельных модулей, а затем отобрали наиболее качественные элементы и связали их с помощью фотонной интегральной схемы — системы алюминий-нитридных (AlN) волноводов (обменных каналов) на сапфировой подложке.

При помощи микроманипуляторов ученым удалось с требуемой точностью расположить модули в нужных местах схемы, соединив алмазные волноводы чипа с алюминий-нитридными волноводами на платформе.

В результате исследователи изготовили 128-канальный комбинированный чип из шестнадцати восьмиканальных алмазных модулей — наиболее крупное на данный момент устройство такого типа, и, таким образом, экспериментально продемонстрировали перспективность (в смысле увеличения числа кубитов) модульного подхода к созданию квантовых чипов.

Авторы подчеркивают, что в дальнейших исследованиях (которые, вероятно, уже будут посвящены управлению множеством кубитов и их взаимодействиям) такая методика дает возможность подбирать и комбинировать в одной системе различные материалы, исходя из тех или иных их свойств.