Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — это спин электрона, его крошечный магнитный момент. Чтобы оркестр играл слаженно, дирижёр должен слышать каждого музыканта отдельно. Но в германии — материале, который обещает стать основой квантовых чипов, — музыканты звучат почти в унисон: спины электронов почти не расщепляются по энергии. Дирижёр не может выделить отдельный голос, и управлять квантовым битом невозможно.
Физики долго не понимали, почему германий ведёт себя так тихо. Оказалось, дело в натяжении кристалла. В современных устройствах германий сжимают, чтобы он лучше сочетался с соседними слоями. Сжатие гасит нужное расщепление: спины электронов перестают различаться, как струны, которые натянули слишком слабо. Авторы работы предложили обратное — растянуть германий. Тогда расщепление вырастет в сотни раз, и каждый спин зазвучит отдельно.
Расчёты показывают: в растянутом германии квантовые операции можно проводить за сотни наносекунд — быстрее, чем во многих других материалах. А технология выращивания таких слоёв уже существует, так что новые устройства можно сделать на нынешнем оборудовании. Это открывает дорогу к квантовым битам на основе спинов электронов в германии — надёжным, быстрым и совместимым с обычной электроникой.
Теперь дирижёр может услышать каждого музыканта: растянутый германий даёт чёткие, различимые ноты. Оркестр квантовых спинов готовится сыграть первую симфонию.
Германий — близкий родственник кремния, из которого сделаны почти все компьютерные чипы. Но в отличие от кремния, в германии электроны движутся быстрее, поэтому его рассматривают для будущих высокоскоростных транзисторов и квантовых устройств.
В романе Грега Игана «Карантин» квантовые компьютеры на основе спинов управляются через натяжение кристаллической решётки — как раз то, что предлагают авторы работы.