Меньше, чем нано

Атомы в квантовом состоянии "запутанности". Информация о состоянии атома А телепортируется атому В, расположенному в трех футах.
Фото Николь Реджер Фуллер с официального сайта Национального научного фонда (NSF)

Миниатюризация наноэлектроники достигла таких масштабов, что на поведении битов информации начинает сказываться эффект квантовых взаимодействий. Ученые давно мечтают обратить этот «недостаток» в преимущество, использовав для построения компьютеров не электроны, а их спины, или магнитные моменты.

Квантовые компьютеры будут, естественно, использовать квантовые биты информации, или кубиты (qubits). Кубиты с их возможностью суперпозиции позволят резко увеличить объем параллельных вычислений, осуществляемых сегодня в основном дорогими и громоздкими суперкомпьютерами. Считается, что квантовый компьютер легко справится с задачами, решение которых невозможно с помощью классических электронных компьютеров в силу того, что вычисления займут чуть ли не бесконечное время.

Расчеты показывают, что для продуктивной работы квантовых компьютеров необходим как минимум миллион кубитов, которые должны быть связаны друг с другом в функциональное целое. Подобная связь с легкой руки Эрвина Шредингера получила название «энтенглмент» (еntanglement), что весьма коряво переводится на русский язык как «спутанность». Этот квантовый эффект означает одинаковость свойств разных элементов, в данном случае – спинов. По аналогии со сходством длин волн световых квантов в лазерном луче немецкий энтенглмент все чаще называют привычным словом «когерентность».

Юной аспирантке Стефании Симмонс из Оксфорда удалось получить миллиард кубитов, причем в кремнии, с которым уже много десятилетий работает вся электронная промышленность. Кубиты были получены путем «внедрения» в кремний десятка миллиардов атомов фосфора, после чего с помощью радиоволн или микроволнового излучения изменили магнитную ориентацию, или спин ядер элемента и одного из его электронов. Подобранные режимы облучения позволили связать воедино – осуществить энтенглмент – указанную пару спинов, в результате чего возникло множество двукубитовых систем. Естественно, что для осуществления этой квантовой «операции» кремний был охлажден до трех градусов Кельвина (минус 270 градусов по Цельсию).

Успех получения квантовой «связки» был подтвержден считыванием микроволнового сигнала, испускаемого кремниевым кристаллом. Можно добавить, что до сих пор рекордом было получение дюжины кубитов┘ Кремний был, конечно же, не промышленный, а высоко чистый из атомов изотопа-28 (атомы изотопа с массой 29 были удалены, поскольку они намагничиваются, что нарушает квантовый эффект когерентности кубитов).

Не удалось пока оксфордцам связать многочисленные кубиты в единое целое, поскольку те «отказываются» перескакивать – в отличие от электронов – с места на место. Однако Симмонс и ее коллеги твердо знают исходное состояние спина, с которым имеют дело. Этого до сих пор тоже никому не удавалось.

Авторы удивительного достижения полагают, что первый действительно работающий квантовый компьютер возможно построить лет через пять. И дело не только в решении выше указанных теоретических проблем, но также и чисто технологических. Все помнят, что Левша подковал блоху, однако как-то забывается, что для столь уникальной микроскопической операции необходимы были наногвоздики. Нечто подобное теперь требуется и от технологов, которые должны разработать методы наложения на кремниевый чип наноэлектродов, концы которых доходили бы до каждого кубита.

Задача пока кажется трудноосуществимой, но не будем забывать, что первый кремниевый транзистор был сделан всего лишь в 1948 году, и был он размером с ноготь мизинца. Его создатели дожили до внедрения в нашу жизнь первых чипов, но вряд ли могли надеяться на создание всего того, что сегодня является для нас привычным и само собой разумеющимся.