Ученые и инженеры из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales), Австралия, изобрели радикально новую архитектуру квантовых вычислительных систем, основой которой являются так называемые кубиты-триггеры. Использование такого типа кубитов сделает разработку и изготовление квантовых чипов, предназначенных для крупномасштабных и масштабируемых квантовых вычислительных систем, намного более дешевым и простым, чем это было возможно ранее.

Благодаря использованию кубитов-триггеров в будущем станет возможным изготовление кремниевого квантового процессора со сколь угодно большим количеством имеющихся в нем кубитов. Природа этих кубитов не требует чрезвычайно точного размещения атомов на поверхности кристалла процессора, эти кубиты могут быть расположены на расстоянии в сотни нанометров друг от друга, оставаясь при этом запутанными на квантовом уровне и работая как единое целое. При этом, изготовление нового типа квантовых процессоров возможно при помощи имеющихся технологий производства полупроводниковых чипов, а управление состоянием кубитов и их взаимодействием осуществляется при помощи электронным сигналов, а не при помощи внешнего магнитного поля, микроволнового излучения или света лазера, как в других квантовых системах.

Новый тип кубитов и архитектура квантовой вычислительной системы были разработаны группой Андреа Морелло (Andrea Morello), одного из руководителей центра ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) университета Нового Южного Уэльса.

Созданные и разрабатываемые на сегодняшний день квантовые вычислительные системы можно условно разделить на два типа. К первому типу относятся системы с кремниевыми кубитами, использующие в качестве квантовой величины спин (направление вращения) атомов или электронов. Предполагается, что такой тип кубитов позволит создать большие процессоры с обширными матрицами кубитов, однако, все это требует весьма точного размещения кубита на кристалле чипа, расстояние между отдельными кубитами должно быть равным приблизительно 10-20 нанометрам, что всего в 50 раз больше размера отдельного атома. И если расстояние между кубитами не выдерживается, то становится очень трудно сохранить состояние квантовой запутанности в течение длительного времени, что приводит к неправильной работе или полной неработоспособности этих кубитов.

Ко второму типу квантовых вычислительных систем относятся системы со сверхпроводящими кубитами, в этом направлении сейчас работают специалисты IBM, Google и некоторых других компаний. Сверхпроводящие кубиты имеют достаточно большие размеры, они легче в изготовлении и в управлении. Но из-за их размеров возникают трудности при создании систем с сотнями и тысячами кубитов, требующихся для расчетов сложных квантовых алгоритмов.

Основой кубита нового типа является единственный атом фосфора, помещенный на некоторую глубину в кремниевую подложку, покрытую сверху изолирующим слоем диоксида кремния. А сверху изолирующего слоя над атомом фосфора размещен управляющий металлический электрод. Функционирование такого кубита основано сразу на двух параметрах, на вращении электрона и вращении ядра атома, значению «0» соответствует состояние ускоренного вращения ядра и замедленного вращения электрона, и наоборот, значению «1» соответствует состояние ускоренного вращения электрона и замедленного вращения ядра атома. За счет своей «двойственной» дипольной природы такие кубиты демонстрируют рекордное на сегодняшний день время нахождения в состоянии квантовой когеренции и могут взаимодействовать друг с другом, будучи разнесенными на расстояние до 1000 нанометров.

В настоящее время и кубиты-триггеры, и основанная на них архитектура квантовых вычислительных систем существуют только в теории. Но австралийские исследователи уже получили необходимое им финансирование из разных источников и начали работу по изготовлению первых опытных образцов новых кубитов, 10 из которых будут объединены в одно целое на кристалле несложного квантового процессора, который послужит для проведения экспериментов и исследований, направленных на дальнейшее улучшение данной технологии.