Ученые из Германии показали, что механическое напряжение, локально применяемое к кристаллу, может использоваться, чтобы сдвинуть резонансную частоту электронного спина к значениям, при которых квантовые вычисления становятся теоретически возможными.

Вычислительная техника непрерывно развивается и следующим достижением на этом поприще должен стать квантовый компьютер. Это устройство должно полагаться на точные квантовые состояния, благодаря которым возможно выполнение революционно-быстрых алгоритмов и расшифровка сложных шифров. Если существующие вычислительные технологии полагаются на электрические и магнитные явления, то в основу квантового компьютера должен лечь спин. Взаимодействие спинов имеет большие перспективы, т.к. позволит не только манипулировать бинарными состояниями, но и использовать существенное распараллеливание квантовых алгоритмов. Однако практическая реализация этой идеи не так проста, поэтому на данный момент научный мир занимается исследованием различных систем на предмет применимости для создания квантового компьютера.

В своей последней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, группа ученых из Walter Schottky Institute (Германия) сделала существенный шаг вперед к созданию квантовой вычислительной системы на базе кремния.

Для нормального функционирования квантовому компьютеру требуется память, процессор и средства их соединения. Однако «готовых» квантовых систем, которые обладали бы всеми необходимыми функциями, не существует. В последнее время для решения этой проблемы ученые стараются использовать более чем одну квантовую систему. К примеру, фотоны являются отличным средством для передачи информации на большие расстояния, а «запертые в ловушку» стационарные ионы могут обеспечить сохранение и обработку информации. Такие «гибридные» системы легко реализуемы в твердом теле, где одновременно существует множество типов квантовых частиц. Именно эти соображения позволили в 1990-х годах ученым под руководством Брюса Кейна (Bruce Kane) предложить идею квантового компьютера на базе кремния. Проект подразумевал использование ядер фосфорной донорной примеси для хранения информации.

Согласно схеме Кейна, в каждом атоме фосфора существует два квантовых состояния ядра с полуцелым спином, что позволяет реализовать кубит (аналог обычного бита в классической логике). Спин ядра в данном случае обладает преимуществом по сравнению со спином электрона, т.к. он слабо взаимодействует с окружающей средой, т.е. информация может храниться достаточно долго. Единственная проблема в реализации подобной схемы состоит в том, что такие атомы плохо взаимодействуют друг с другом; и в решении этой проблемы играет роль именно дополнительный электрон примеси. Оказывается, два смежных ядра примеси через эти электроны могут косвенным образом взаимодействовать друг с другом, что обеспечивает требуемую логическую связь. При этом идеология схемы позволяет точно управлять тем, какие соседние ядра будут между собой взаимодействовать. А вот способ управления накладывает фундаментальные ограничения на частоту, с которой может работать такой квантовый компьютер. Поэтому после разработки схемы Кейна основной задачей стало повышение скорости работы такого квантового компьютера.

В своей работе ученые из Германии показали, что местное механическое напряжение, примененное к кристаллу кремния, позволяет повысить теоретический барьер скорости работы квантового компьютера по схеме Кейна гораздо больше, чем любые предлагавшиеся ранее методики.

Опубликованное открытие можно считать залогом того, что первый опытный образец квантового компьютера на базе кремния и донорных примесных атомов мы можем получить достаточно скоро.

Результаты исследований опубликованы в статье:

L. Dreher, T. A. Hilker, A. Brandlmaier, S. T. B. Goennenwein, H. Huebl, M. Stutzmann, and M. S. Brandt Electroelastic Hyperfine Tuning of Phosphorus Donors in Silicon. – Phys. Rev. Lett. – 2011. – 106. – 037601. – Published January 18, 2011.