«Атомный дырокол» превратил обычные материалы в компоненты квантовых компьютеров

Основу большинства современной вычислительной техники составляет кремний — второй по распространенности химический элемент на Земле. Он обладает умеренной электрической проводимостью, поэтому его часто используют в производстве компьютерных микросхем и транзисторов. Последние — строительные блоки современного компьютера: они играют роль переключателя, останавливают электрический ток или позволяют ему течь. 

Однако возможности кремния не безграничны, у него есть ограничения, которые сказываются на вычислительной мощности устройства. Например, в отличие от металлов, при низких температурах кремний практически прекращает проводить электрический ток из-за малого количества свободных электронов. Хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к «дырочной проводимости» (когда носителем тока выступают квазичастицы с положительным зарядом, «дырка» — место, где нет электрона), которая важна для некоторых типов микросхем. Также кремний не очень хорошо проводит тепло, что вызывает проблемы с перегревом.

Все известные на сегодня суперкомпьютеры состоят из компонентов, в состав которых входит кремний. Хотя такие устройства и преподносят как «самые быстрые», на деле это не совсем верно.

Для ряда специализированных задач они гораздо медленнее квантовых компьютеров, которые, в отличие от суперкомпьютеров, не имеют «кремниевых ограничений» (в них используются другие типы проводников) и применяют принципиально другую логику вычислений. Они работают по принципам квантовой механики и обрабатывают информацию не в битах, а в кубитах. Кубиты вмещают в себя гораздо больше данных. 

В итоге квантовый компьютер, созданный в 2020 году ученым из Научно-технического университета Китая, за 200 секунд может выполнить специализированный расчет, который у классического суперкомпьютера занял бы полтора миллиарда лет. 

Сегодня квантовые компьютеры — большая редкость, они есть лишь у некоторых китайских, канадских, европейских и американских компаний, таких как IBM, Google и Rigetti. Главная причина столь малой распространенности — дороговизна. Компоненты, из которых делают эти установки, стоят больших денег. В 2017 году канадская компания D-Wave выпустила на рынок квантовый компьютер D-Wave 2000Q с процессором на 2000 кубит стоимостью 15 миллионов долларов США. 

А если бы квантовые компьютеры можно было создавать из простых и дешевых материалов, что бы произошло? Наверняка настоящая «вычислительная революция». Такое устройство смог бы позволить себе любой ученый, с помощью этого компьютера можно быстро и точно решать сложные задачи. К примеру, моделировать сложные молекулярные системы, что в химии и фармацевтике имеет большое значение. 

Ученые давно ищут способ, который помог бы удешевить материалы, необходимые для создания квантовых компьютеров. И, похоже, это получилось у группы американских физиков из Калифорнийского университета в Ирвайне и Лос-Аламосской национальной лаборатории. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи описали метод, позволяющий превращать диэлектрики в проводники, которые затем можно использовать в квантовых компьютерах.

«Представьте, что вы берете стекло, которое обычно считается диэлектриком и относительно дешево в производстве, а затем превращаете его в эффективный проводник тепла и электричества, подобный меди. Материалы, которые мы создали в лаборатории с помощью нашего метода, — вещества, обладающие уникальными электрическими или квантовыми свойствами из-за их специфической формы и атомной структуры», — пояснил Луис Хауреги (Luis Jauregui), один из авторов исследования.

Команда американских ученых разработала специальное устройство, которое они назвали «станцией». С помощью этой «станции» физики могут деформировать материал на атомном уровне: прилагать контролируемое напряжение к нему и менять его атомную структуру. Например, таким образом можно изменить электронные свойства образца и заставить его лучше проводить тепло и электричество. После чего материал можно применять в квантовых вычислениях. 

В экспериментах исследователи приложили напряжение к «обычному» пентателлуриду гафния (HfTe5) и превратили его в материал с уникальными квантовыми свойствами, который теперь можно использовать в качестве важного элемента квантового компьютера. 

«Чтобы создать такие детали, нужно „проделать дыру“ в атомной структуре материала. Это можно сделать благодаря деформационной инженерии», — объяснил Хауреги. 

Контролируя напряжение, исследователи могли «включать» и «выключать» изменения, происходящие на атомном уровне, что очень важно для создания специальных переключателей в квантовых компьютерах.

Открытие американских ученых может произвести прорыв в области квантовых вычислений, а именно — позволит создать более мощные и эффективные компьютеры, способные совершить революцию в медицине, материаловедении и технологиях искусственного интеллекта. Кроме того, это удешевит необходимые для создания таких устройств компоненты, что сделает квантовые компьютеры более распространенными.