В конце 1990-х австралийский физик Брюс Кейн (Bruce Kane) предложил создать элемент квантового компьютера на базе атома фосфора, помещённого на кремниевую основу. Идея была в том, что спин ядра атома фосфора может хранить кубит неограниченно долго, а магнитное поле хорошо отработанными методами магнитно-резонансной спектроскопии позволит манипулировать этим кубитом.

Увы, все последующие попытки физиков из Нового Южного Уэльса реализовать этот подход упирались в одну значимую сложность: с помощью одного только магнитного поля очень нелегко записывать и считывать информацию со спина индивидуального электрона, вращающегося вокруг атома фосфора.

Между тем подход кажется очень привлекательным: интеграция элементов квантового компьютера на кремниевые микросхемы позволит относительно легко «сращивать» квантовые и обычные вычислительные мощности и масштабировать первые до весьма значимых размеров.

Теперь Джеррид Пла (Jarryd Pla) вместе с коллегами по Университету Нового Южного Уэльса (Австралия) заявляет, что эту проблему удалось решить.

Рис. 1. Здесь и ниже иллюстрации J. Pla et al.

Физики «имплантировали» одиночный атом фосфора на кремниевую наноструктуру, затем поместив их в магнитное поле и охладив до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы избавиться от влияния тепловых колебаний на атом и опасной для квантовых процессов декогеренции.

Далее, воздействуя на атом микроволнами, учёные меняли его спин, реализуя тем самым запись одиночного кубита.

А чтение? О, тут были проблемы: микроволны годились для записи, а вот считывание оказалось не таким простым.

Чтобы обеспечить переход к чтению, учёные конвертировали спин в заряд, дабы изменение заряда кубита позволяло узнать его спин. При этом один атом фосфора за счёт взаимодействия с соседним потенциально может выполнять двухкубитные операции, что и составляет минимально необходимую базу для создания легко масштабируемого квантового компьютера.

Рис. 2.

Это, разумеется, не единственный подход, позволяющий надеяться на развёртывание подобных систем. Кроме D-Wave Systems, уже продавшей первые квантовые компьютеры Lockheed Martin и Google, есть и иные варианты, включая использование тех же азот-углеродных вакансий в алмазе.

Австралийский же подход, хотя и обеспечивает лучшую интеграцию с современной кремниевой электроникой, как и конкуренты, требует охлаждения элементной базы до температур, близких к абсолютному нулю, а это чревато существенными практическими сложностями… В общем, что-то подсказывает нам, что гонка квантовых компьютеров всё ещё находится в самом начале, а путь будет очень долгим…