Атом за атомом: новая технология кремниевых компьютерных чипов открывает возможности для квантовых вычислений

Квантовые компьютеры можно было бы построить дешево и надежно, используя новую технику, усовершенствованную командой под руководством Мельбурнского университета, которая внедряет отдельные атомы в кремниевые пластины один за другим, повторяя методы, используемые для создания обычных устройств, в процессе, описанном в Advance.

Новая методика, разработанна профессором Дэвидом Джеймисоном и соавторами из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, Центре Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), Института инженерии. В результате их квантовыми состояниями можно манипулировать, связывать и считывать.

Ведущий автор статьи, профессор Джеймисон, сказал, что видение его команды состояло в том, чтобы использовать эту технику для создания очень и очень крупномасштабного квантового устройства.

«Мы считаем, что в конечном итоге сможем создавать крупномасштабные машины на основе одноатомных квантовых битов, используя наш метод и преимущества производственных технологий, усовершенствованных полупроводниковой промышленностью», — сказал профессор Джеймисон.

В этом методе используется точность атомно-силового микроскопа, который имеет острый кантилевер, реагирующий на силовые поля над поверхностью чипа с точностью позиционирования всего в половину нанометра, примерно такой же, как расстояние между атомами в кристалле кремния.

Команда просверлила крошечное отверстие в этом кантилевере, чтобы, когда он осыпался атомами фосфора, один из них иногда падал через отверстие и внедрялся в кремниевую подложку.

Ключ в том, чтобы точно знать, когда один атом — и не более одного — внедрился в субстрат. Затем кантилевер мог переместиться в следующую точную позицию на массиве.

Команда обнаружила, что кинетическая энергия атома, когда он врезается в кристалл кремния и рассеивает свою энергию за счет трения, может быть использована для создания крошечного электронного «щелчка-импульса».

Профессор Джеймисон сказал, что команда могла «слышать» электронный щелчок, когда каждый атом попадал в одно из 10 000 мест в прототипе устройства.

«Атом, сталкивающийся с куском кремния, производит очень слабый импульс, но мы изобрели очень чувствительную электронику, используемую для обнаружения этого импульса, он сильно усиливается и дает громкий и надежный сигнал», — сказал профессор Джеймисон.

«Это позволяет нам быть уверенными в нашем методе. Мы можем сказать: «О, это был щелчок. Только что пришел атом. Теперь мы можем переместить кантилевер в следующее место и ждать следующего атома».

До сих пор имплантация атомов в кремний была случайным процессом, когда кремниевый чип осыпался фосфором, который имплантировался случайным образом, как капли дождя на окне.

Соавтор, профессор Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, сказала, что новая технология внедряет ионы фосфора, точно подсчитывая каждый из них, в кремниевую подложку, создавая «чип» кубита, который затем можно использовать в лабораторных экспериментах для тестирования конструкций.

«Это позволит нам разрабатывать квантовые логические операции между большими массивами отдельных атомов, сохраняя высокоточные операции во всем процессоре»

«Вместо того, чтобы имплантировать множество атомов в случайные места и выбирать те, которые работают лучше всего, теперь они будут размещены в упорядоченном порядке, подобно транзисторам в обычных компьютерных чипах на основе полупроводников».

«Мы использовали передовые технологии, разработанные для чувствительных детекторов рентгеновского излучения, и специальный атомно-силовой микроскоп, первоначально разработанный для космической миссии «Розетта», а также комплексную компьютерную модель траектории ионов, имплантированных в кремний, разработанную в сотрудничестве с нашими коллегами в Германии». — сказал доктор Джейкоб.

«Вместе с нашими партнерами из Центра мы уже добились новаторских результатов на одноатомных кубитах, созданных с помощью этой техники, но новое открытие ускорит нашу работу над крупномасштабными устройствами».

Практические последствия квантовых компьютеров включают новые способы оптимизации в финансовых вычислениях, цифровизации промышленного производства, неуязвимую криптографию и вычислительную разработку лекарств, а также, возможно, быструю разработку вакцин.

Соавторами отчета являются представители UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Институт обработки поверхности им. Лейбница (IOM) и Центр микроскопии и микроанализа RMIT.

Проект финансировался Центром передового опыта в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий Австралийского исследовательского совета, Исследовательским офисом армии США, грантом Фонда исследований и инфраструктуры Мельбурнского университета и использовал возможности Австралийского национального производственного предприятия в Мельбурнском центре для нанопроизводства.