Автор: Юрий Трифонов. Самая интересная часть квантового компьютера это, пожалуй, кубит. Как с точки зрения материаловедения устроен кубит и что позволяет проявлять ему такие фантастические свойства? Давайте вспомним самые основные моменты, которые тесно связаны с физикой работы кубита. Как это водится, стоит начать с полупроводников. Без этого не прочувствовать принципиальную разницу.

Материаловедение полупроводника

Привычные всем полупроводниковые устройства работают довольно просто. Это группа транзисторов, объединенных в сложную архитектуру и выдающих на выходе ожидаемое напряжение (ну или не выдающих).

Полупроводниковые транзисторы часто вполне уместно сравнивают с открытым или закрытым краном для подачи самой обычной воды. При этом кран – это вентиль, являющийся инструментом и позволяющий собирать простейшие управляемые логические цепочки.

Материаловедение полупроводникового транзистора простое. Полупроводник проводит электрический ток только при определенных физических условиях и занимает место между диэлектриками и проводниками. Одним из условий проводимости для полупроводника является легирование – искусственное увеличение количества свободных электронов или вакантных мест для них.

Стандартный диод

Есть полупроводниковые материалы, «богатые» электронами, а есть материалы «богатые» вакантными местами для размещения этих электронов. Если соединить друг с другом материал, обладающий большим количеством вакантных мест (или дырок) и материал, обладающий большим количеством носителей заряда (электронов), то в одно направлении ток будет проходить, а в другом нет. Получится полупроводниковый диод.

Если же комбинировать материалы по принципу электроны – дырки – электроны, то в таком тройном бутерброде получится управляемая область. Подача электрического тока на управляемую зону, где отсутствуют носители заряда, откроет эту область и позволит току протекать через транзистор. Тут можно было бы сказать, что бывают транзисторы p-n-p или n-p-n, но это сейчас не столь важно.

Стандартная схема из учебника

Базовый принцип материаловедения транзистора прост. Взять в транзисторный бутерброд такие материалы, которые обеспечат проводимость только если посредством подачи электрического тока на промежуточный слой будет происходить добавление электронов (или диаметрально противоположный вариант для другого типа полупроводника).

Основные материалы для транзисторов – германий и кремний. Для того, чтобы добиться «эффекта изобилия» дырок или электронов, основной материал легируется. Легирующими компонентами выступают обычно алюминий, галлий или индий. Логика, в общем-то, простая – добавить к атомам основного элемента «примесного кукушонка», который внедрится в кристаллическую решетку основы и привнесет новые свободные электроны в основной компонент (ну или перетянет себе те, что есть в относительно свободном состоянии, обладая большим количеством вакантных мест с выгодным энергетическим переходом).

Результат мы все знаем. Получается полупроводниковый транзистор, на базе которого можно собрать логическую ячейку. Всё просто по одной причине – по большому счёту, мы делаем обычный управляемый водопроводный кран с положениями да/нет и это ложится на привычные нам 1 и 0. 1 и 0, если помните – это и есть бит. Строго фиксированные значения.

Квантовое материаловедение

Квантовые компьютеры же известны тем, что технология не подразумевает работу с конкретными значениями. Тут нет 1 и 0. Вместо бита основным элементом становится ку-бит. Кубит интересен тем, что способен принимать весь диапазон значений от 0 до 1, причем с некоторой вероятностью. Скажем, в конкретный момент времени кубит может принимать значение «1» с вероятностью 30%. В итоге и алгоритм компьютера работает с вероятностными показателями.

Наверное такую схемку вы тоже уже видели

Для осознания нужно хорошо понимать основы квантовой физики, но думаю достаточно будет уяснить, что кубит всегда находится во всех возможных состояниях сразу. Это и 0, и 1, со всеми сопутствующими вероятностями принятия 1 и 0.

Так проявляется квантовая суперпозиция – специфическое свойство, позволяющее квантовой частице принимать сразу все возможные состояния. Конкретное значение фиксируется благодаря эффекту наблюдателя – нужно измерить искомое свойство и тогда суперпозиция разрушится, а кубит примет одно из ожидаемых конкретных значений.

Вероятностное исчисление требует специальной логики построения алгоритма, который работает совсем не так, как в привычном нам случае. Как правило, квантовые алгоритм ориентированы на работу с какой-то одной хорошо описанной задачей. Например, прогнозирование изменения температуры какой-то природной зоны. Факт измерения кубита приведет к фиксации значения и завершению работы алгоритма.

Если мы сравнивали полупроводниковый транзистор с управляемым краном, то кубит – это нечто типа закрытого ящика, в котором может лежать что угодно и его содержимое определяется вероятностью. Открываешь ящик измерением и узнаешь результат. Если математически описать вероятность нахождения того или иного результата в ящике, то это можно использовать, как способ решения некоторой задачи.

И вот тут начинается самое интересное. А как и из чего сделать эту волшебную коробку с точки зрения материаловедения?