квантовый чип

Пластиковая плёнка толщиной с человеческий волос содержит платиновые точки размером меньше миллионной доли миллиметра — так называемые наночастицы. Они расположены на границе двух слоёв транзистора и действуют как ловушки для электрического заряда: подобно губке, впитывающей воду, эти точки захватывают и удерживают электроны.

В мире квантовых частиц есть свои «интроверты» — энионы. Это квазичастицы, которые не похожи на привычные электроны или протоны: если двух таких «интровертов» поменять местами, они запоминают этот манёвр, словно оставляя невидимый след в квантовом состоянии системы.

Кусочек сахара, зажатый пальцами, почти наверняка раскрошится, а не сожмётся ровно. Похожая задача стоит перед создателями квантовых компьютеров. Им необходимо слегка растягивать или сжимать миниатюрные кремниевые пластинки — на них потом размещают кубиты.

Квантовым сетям необходим интерфейс между хранилищем информации — спиновым состоянием частицы — и её переносчиком — светом. До недавнего времени ни одна одиночная молекула не могла выполнять эту роль. Однако физики обнаружили подходящего кандидата.

Ряды проводов, тянущихся из тёплой комнаты в холодильник с квантовым чипом, напоминают запутанный телефонный узел прошлого века. Каждый кубит требовал своего аналогового канала для точной настройки, а кабели несли лишнее тепло и путались под руками. Теперь исследователи поставили цифро-аналоговый преобразователь прямо в холодную зону, рядом с кубитами.

Обычный лазер светит узкими линиями, как струна, которая звучит только на одной ноте. Для спектроскопии это неудобно: если вещество поглощает свет между линиями, его можно не заметить. Терагерцовый квантово-каскадный лазер — это полупроводниковый чип размером с ноготь, который излучает волны с частотой от 1 до 6 терагерц (триллионов колебаний в секунду).

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но стоит дирижёру взмахнуть палочкой чуть сильнее — и тончайшие инструменты расстраиваются от лишнего тепла. Управлять кубитами при температуре 10 мК (в 300 раз холоднее морозилки) — всё равно что дирижировать оркестром в ледяном зале, где даже дыхание может всё испортить.

Обычный кухонный термометр показывает температуру, при которой ртуть перестаёт сопротивляться электричеству. Для сверхпроводников, из которых делают квантовые компьютеры, критическая температура — как паспорт качества: чем выше, тем лучше. Тантал в форме альфа — отличник, а его близнец бета считался двоечником.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.

Квантовый компьютер на спинах электронов похож на ряд крошечных волчков. Каждый волчок крутится либо по часовой, либо против — это и есть кубит. Чтобы узнать результат вычисления, волчок обычно останавливают и смотрят, куда он упал. Но если волчков много, на каждый нужен отдельный «глаз» — лишний кубит-помощник.

Свет входит в крошечную полость с зеркальными стенками и попадает на атом эрбия, спрятанный в кристалле. Атом поглощает свет и перебрасывает своё ядро в другое состояние — как тумблер, который щёлкает от нажатия. Но тумблер этот не обычный: он живёт по законам квантового мира и может находиться в двух положениях одновременно.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные обычным машинам, но их сердце — кубиты — требует сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Управлять кубитами и считывать их состояние обычно приходится из тёплой комнаты, протягивая через холодильник множество кабелей.

Квантовые технологии часто используют свет, но не просто как лампочку, а как носитель информации. Один из способов — кодировать данные в частоте: каждый «цвет» фотона может быть отдельной ячейкой памяти. Проблема в том, что для работы с такими цветными состояниями нужна целая лаборатория: источник фотонов, фильтры, модуляторы, детекторы. Всё это громоздко и неудобно.

Тонкая проволочка из кристалла α-Bi₄Br₄ — смесь висмута и брома — проводит ток не как обычный провод. Внутри неё электричество движется только по краям, словно вода по желобу, не задевая дно и стенки. Такое поведение называют топологической изоляцией: внутри материал не проводит, а по поверхности или краям электроны скользят без потерь.

На кремниевой пластине, похожей на микрорайон, кубиты — электроны со спином — живут в отдельных «домах». Раньше соседи общались только через забор, а теперь между ними проложили дорогу: по ней кубит едет к любой из четырёх остановок. Дорога — это шина, по которой электрон переносят, не теряя его квантовое состояние.

Квантовый компьютер похож на оркестр, который перед каждой пьесой должен настроить инструменты. Настройка занимает время и требует тишины — в нашем случае глубокого холода.

Капля чернил падает в стакан воды — и вместо ровного пятна рождается кольцо, которое тут же начинает вращаться. Примерно так выглядит рождение скирмиона: свет, испущенный крошечным источником, закручивается в устойчивый вихрь. До сих пор такие вихри получали только от больших лазеров. Теперь их научились создавать от одиночных атомов прямо на чипе.

Обычный компьютер видит мир плоско: числа для него — просто точки на линии. Но цветная картинка или трехмерная сцена требуют большего — четырех чисел, которые описывают и положение, и поворот. Такие четверки называют кватернионами, и до сих пор электроника справлялась с ними неуклюже, раскладывая на части и собирая обратно. Новый чип меняет подход.

Огромный холодильник размером с платяной шкаф гудит, поддерживая внутри температуру ниже, чем в открытом космосе. В его сердце лежит кремниевый чип с крошечными сверхпроводящими петлями — кубитами. Но чтобы чип заработал, к нему тянутся десятки толстых медных кабелей от комнатной температуры.