Эрбий — главный кандидат для создания квантового компьютера

Поскольку новые экспериментальные результаты были получены без сложного охлаждения и основаны на существующих технологиях производства полупроводников, этот метод кажется подходящим для больших сетей.

Художественная интерпретация эксперимента, в котором отдельные атомы эрбия (красный и оранжевый) интегрируются в кремниевый чип. (Изображение: К. Хохманн, MPQ)

Когда квантовые компьютеры подключаются к сети, возникают совершенно новые возможности — по аналогии с Интернетом, состоящим из взаимосвязанных классических компьютеров. Такую квантовую сеть можно реализовать, запутав отдельные носители квантовой информации, так называемые кубиты, друг с другом с помощью света. Кубиты, в свою очередь, могут быть построены из отдельных атомов, изолированных друг от друга, но встроенных в основной кристалл.

Группа исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге и Технического университета Мюнхена продемонстрировала реальный способ построения квантовой сети с использованием атомов эрбия в кристалле кремния. Это означает, что та же технология, что и в классических компьютерах, может также использоваться для квантовых компьютеров и их сетей ( Physical Review X, «Узкие оптические переходы в кремниевых волноводах, имплантированных эрбием»).

Низкие потери и сильная когерентность

Новая технология основана на внедерении атомов эрбия в кристаллическую решетку кремния специальным образом при определенных условиях.

«Из более ранних экспериментов стало известно, что эрбий обладает хорошими оптическими свойствами для такого применения», — говорит доктор Андреас Рейзерер, глава исследовательской группы Otto Hahn Quantum Networks в MPQ: «Атомы этого редкоземельного элемента излучают инфракрасный свет на длине волны около 1550 нанометров — именно того спектрального диапазона, который используется для передачи данных по оптоволоконным кабелям. При распространении луча в светопроводящем волокне с включением эрбия потери мощности сигнала оказались очень низкие.

«Кроме того, свет, излучаемый эрбием, обладает превосходной когерентностью», — отмечает Райзерер. Это означает, что отдельные пакеты волн находятся в стабильном фазовом отношении друг к другу, что является необходимым условием для хранения и передачи квантовой информации.

«Эти характеристики делают эрбий главным кандидатом для создания квантового компьютера или для использования в качестве носителя информации в квантовой сети», — подчеркивает Рейзерер.

Внедрить атомы эрбия в упорядоченном виде в кристаллическую решетку кремния представляет сложную технологическую задачу. К тому же атомы этого редкоземельного элемента должны быть зафиксированы в определенных позициях относительно атомов кремния.

«Мы выбрали для этого кремний, потому что он уже используется в классических полупроводниках, составляющих основу нашего информационного общества», — объясняет физик. «А получение кристаллов кремния высокого качества и чистоты сегодня доступно для промышленности».

Умеренные температуры, узкие спектральные линии

Чтобы интегрировать атомы эрбия в такой кристалл, иначе говоря легировать, нужно было его наделить нанометровой структурой. Атомы эрбия служат светопроводящими элементами. Затем исследователи облучили кремний пучком ионов эрбия, чтобы отдельные атомы проникли и разошлись в разные места при высоких температурах.

«В отличие от обычной процедуры, мы нагревали чипы не до 1000, а максимум до 500 градусов Цельсия», — говорит Андреас Грич, аспирант команды.

Следствием сравнительно умеренной температуры была особенно стабильная интеграция отдельных атомов эрбия в кристаллическую решетку без группировки большего числа атомов.

«Это проявилось в необычно узких спектральных линиях в излучении инфракрасного света эрбием», — сообщает Грич: около 10 кГц, что является наименьшей шириной спектральной линии, измеренной на сегодняшний день в наноструктурах. «Это также благоприятное свойство для построения квантовой сети», — подчеркивает исследователь.

И еще одна особенность, отличающая оптимизированный исследователями Гархинга метод легирования кристалла кремния: отличные оптические свойства введенных атомов эрбия проявляются не только в непосредственной близости от абсолютного нуля при минус 273 градусах Цельсия, но и при температурах, считающихся «высокими» для квантовых явлений, около 8 Кельвинов (градусов выше абсолютного нуля).

«Такая температура может быть достигнута путем охлаждения в криостате жидким гелием», — говорит Андреас Рейзерер. «Это технологически легко реализовать, и это прокладывает путь к будущим приложениям».

Разнообразные потенциальные приложения

Спектр возможных будущих применений квантовых сетей широк, как объясняет исследователь Макса Планка: из них можно построить квантовые компьютеры, в которых большое количество отдельных процессоров соединено между собой. С помощью таких вычислительных машин, использующих определенные квантово-механические эффекты, можно решать сложные задачи, которые невозможно решить с помощью обычных, классических систем. В качестве альтернативы квантовые сети можно использовать для исследования свойств новых типов материалов.

«Или их можно использовать для создания квантового интернета, в котором можно было бы передавать недостижимые ранее объемы информации — аналогично обычному интернету, но надежно зашифрованному с использованием квантовой криптографии», — говорит Райзерер.

Предпосылкой для всех этих потенциальных приложений является квантово-механическое запутывание кубитов в сети. «Показать, что это также возможно на основе атомов эрбия в кремниевых чипах, — наша следующая задача», — говорит Андреас Рейзерер.

Вместе со своей командой физик уже работает над решением этой задачи. Его цель: показать, что схемы для мощных квантовых сетей можно производить так же, как микрочипы для мобильных телефонов или ноутбуков, чтобы проложить широкое поле для новых научных открытий и технических возможностей, которые сегодня являются еще фантастикой.