Согласно исследованию, недавно опубликованному в журнале Nature, группа ученых из Делфтского технического университета в Нидерландах осуществила квантовые логические операции между «мобильными кубитами» на кремниевом квантовом чипе и далее выполнила квантовую телепортацию внутри чипа. Это означает, что изначально неподвижные кубиты теперь могут, подобно информационным «курьерам», перемещаться по чипу и обмениваться информацией, что открывает новые перспективы для создания крупномасштабных, масштабируемых квантовых компьютеров в будущем.
Практическая реализация крупномасштабных квантовых компьютеров упирается в одну ключевую проблему: кубитам трудно гибко и эффективно «общаться» друг с другом. В традиционных квантовых чипах кубиты обычно зафиксированы в определенных местах и могут взаимодействовать только с ближайшими «соседями». Это ограничение приводит к тому, что при увеличении масштаба квантового чипа передача информации становится чрезвычайно сложной.
На этот раз команда предложила новое решение, напоминающее «конвейерную ленту», которое называется «челночный перенос по конвейерному режиму». Оно заключается в использовании движущегося электрического поля для транспортировки электронов внутри кремниевого чипа. Поскольку спин электрона сам по себе может служить кубитом, они фактически «перевозят» квантовую информацию.
В эксперименте использовалось кремниевое устройство с линейной матрицей квантовых точек. Квантовые точки можно представить как миниатюрные «электронные ловушки», способные удерживать отдельные электроны. Сначала команда поместила два электрона на противоположные концы чипа, а затем, точно контролируя напряжение на металлических затворах, создала внутри чипа движущуюся область электрического потенциала, которая медленно перемещала электроны к центру.
Когда два электрона сближались достаточно сильно, их квантовые состояния начинали взаимодействовать, что позволяло выполнить двухкубитную операцию. После этого подавался обратный электрический сигнал, чтобы вернуть электроны на исходные позиции для считывания результата. Весь процесс напоминает встречу двух «гонцов», несущих информацию, в центре чипа, где они обмениваются данными, а затем возвращаются обратно.
Во втором эксперименте команда также продемонстрировала квантовую телепортацию. Сначала они привели два электрона в состояние квантовой запутанности, то есть установили такую квантовую связь, которая сохраняется независимо от расстояния, а затем с помощью этой пары запутанных электронов «передали» состояние третьего кубита на электрон, находящийся на другом конце чипа.
Эта архитектура «мобильных кубитов» может стать важной основой для будущих крупномасштабных полупроводниковых квантовых процессоров. Теоретически она также совместима с существующими производственными процессами в индустрии чипов, что прокладывает путь к массовому производству квантовых чипов в будущем. Однако до создания действительно практичных квантовых компьютеров еще предстоит долгий путь, и такие проблемы, как стабильность квантовых состояний, контроль ошибок и крупномасштабная интеграция, по-прежнему остаются вызовами, которые необходимо преодолеть в этой области.