Левитирующие электроны — новые кандидаты на роль идеальных кубитов

Проблема с квантовыми компьютерами не в том, чтобы доказать их возможность. Вся трудность заключается в масштабировании таких вычислителей. Этому мешают большие физические размеры кубитов и сложности в управлении ими. Идеальный кубит пока не создан, но кандидаты на его роль появляются всё чаще и чаще.

Традиционные архитектуры кубитов, такие как сверхпроводящие схемы или ионные ловушки, чувствительны к внешним воздействиям, дороги в производстве и требуют сложной криогенной инфраструктуры. Исследователи из чикагского стартапа EeroQ предлагают перспективный подход, разработав и создав в лаборатории систему, которая использует одиночные электроны, «плавающие» на поверхности жидкого гелия.

Предложенный метод обещает привести к созданию миллионов кубитов на одном чипе, попутно устраняя узкие места в интерфейсе и системе управления кубитами и, что самое важное, такие квантовые процессоры можно выпускать с использованием зрелых техпроцессов для производства чипов, что будет очень дёшево.

Концепция EeroQ основана на эффекте так называемого «зеркального заряда» на границе раздела сред — это виртуальный заряд, который является следствием стабилизации электромагнитного поля заряжённой частицы рядом с проводником или диэлектриком. Когда отрицательно заряженный электрон приближается к поверхности жидкого гелия, под её поверхностью как бы возникает слабый положительный заряд, стабилизирующий положение электрона в пространстве. Дополнительным стабилизатором выступает жидкий гелий. В результате электрон парит над поверхностью гелия. За счёт стабилизирующих факторов он становится менее чувствителен к помехам — главному бичу всех схем кубитов.

Предложенная схема — это готовая ловушка для электронов. Сверхтекучие свойства жидкого гелия позволяют ему без помех равномерно распределяться по микроканалам в чипе. Эта же среда открывает возможность по транспортировке электронов из одной ловушки в другую, что означает способность чипа выполнять вычисления с использованием электронов как кубитов. В своих экспериментах исследователи EeroQ показали, что электроны могут путешествовать на фантастические расстояния по чипу — до одного километра и больше.

Используя вольфрамовую нить и электромагнитные электроды, учёные заполняли ловушки электронами, где изолировали их с помощью энергетических барьеров, просто повышая напряжение на контактах ловушки. Поскольку ловушки подключены к резонаторам, по их частоте можно судить, сколько там электронов. Эти частицы можно буквально по одной выщёлкивать из ловушек, просто меняявысоту энергетических барьеров (напряжение на контактах) до тех пор, пока там не останется одна частица и с ней можно начать работать, как с кубитом.

Ключевым преимуществом разработки является высокая спиновая когерентность электрона (способность долго оставаться в состоянии суперпозиции), которая, по словам главного научного эксперта EeroQ Йоханнеса Полланена (Johannes Pollanen), «не может быть хуже, чем в кремнии и потенциально достигает фантастических значений». Система использует стандартные CMOS-процессы для изготовления электродов и схем, что упрощает массовое производство и позволяет интегрировать миллионы кубитов без суперсовременных полупроводниковых сканеров.

Учёные уже продемонстрировали захват и контроль одиночного электрона, а также его перемещение на значительные расстояния — до километра — без потери стабильности. Следующий этап — это кодирование информации в спине электрона для создания работающих кубитов. Для снижения декогеренции от неоднородных магнитных полей планируется использовать пары электронов с противоположными спинами: любая фаза, нарушенная в одном, будет компенсирована в другом. Это позволит выполнять логические операции и взаимодействия между кубитами, перемещая электроны по чипу для реализации квантовых алгоритмов.

Подход EeroQ может революционизировать квантовые вычисления, сделав платформы компактными, дешёвыми и масштабируемыми, с минимальным внешним интерфейсом для управления миллионами кубитов. Хотя технология пока на ранней стадии — без полноценных вентилей и крупномасштабной интеграции — её потенциал огромен. Устранение ключевых барьеров, таких как сложность производства и чувствительность к шуму, открывает путь к практическим квантовым компьютерам, способным решать задачи, недоступные классическим системам. В итоге это открытие подчёркивает, как переосмысление материалов и физических эффектов может преодолеть давние ограничения в области квантовых вычислений.