Ученые впервые реализовали технологии квантовых вычислений при помощи обычных кмоп-транзисторов

Пытаясь поддержать темпы развития микропроцессорной техники, определенные известным законом Гордона Мура, исследователи пытаются насколько это возможно сокращать размеры транзисторов. Но все подобные усилия уже давно сводятся на нет квантовыми эффектами, в частности эффектом квантового туннелирования, возникающими в крошечных электронных устройствах, которые препятствуют их нормальному функционированию. Однако, то, что является "камнем преткновения" для разработчиков традиционной электроники, является благом для разработчиков квантовых систем.

Группа ученых, возглавляемая учеными из Кембриджской лаборатории компании Hitachi, в состав которой также входили и ученые из Японии, Франции и Украины, работающие в рамках европейского проекта TOLOP (TOwards LOw Power information and communication technologies), показала, что транзисторы, изготовленные по стандартной КМОП-технологии (CMOS), могут быть настолько маленькими, что они становятся способными работать в качестве кубитов. Т.е. они могут принимать одно из двух квантовых состояний или находиться в третьем состоянии - в состоянии квантовой суперпозиции.

Подходы, разработанные учеными, позволяют управлять, записывать и считывать квантовое состояние КМОП-кубита через затвор полевого транзистора. И это может существенно упростить все процессы, которые обеспечивают работу других кубитов, изготовленных из кремния.

Для того, чтобы получить КМОП-кубит, ученые создали полевые транзисторы, затвор которых окружает канал с трех сторон, формируя вокруг канала два прямых угла. Сам канал представляет собой удлиненный прямоугольный нанопроводник, уложенный горизонтально на кремниевое основание, а в центральной части этого нанопроводника как раз и расположена структура затвора, управляющего электрода транзистора.



Электрическое поле, возникающее вокруг канала транзистора, имеет самую сильную напряженность на гранях нанопроводника. Это и близость граней к структуре затвора позволяют электронам перемещаться между каналом и затвором за счет эффекта квантового туннелирования. Путь перемещения потока электронов, через одну или другую грань нанопроводника канала, определяет квантовое состояние транзистора-кубита, но не тяжело представить, что электроны при определенных условиях могут перемещаться и по двум путям сразу, что соответствует состоянию суперпозиции квантового бита.

Состояние квантовой суперпозиции транзистора-кубита может быть инициировано при помощи электрического импульса с определенными характеристиками, поданного на затвор, а длительность пребывания кубита в этом состоянии, как показали эксперименты, составляет порядка 100 пикосекунд. Затвор транзистора-кубита также используется для чтения квантового состояния, в котором он находится в данный момент. Для этого транзистор соединяется с колебательным LC-контуром, настроенным на частоту 350 МГц. Когда транзистор находится в одном из двух состояний или в состоянии суперпозиции это приводит к перераспределению электрической емкости квантовых точек на гранях нанопроводника, это, в свою очередь, изменяет резонансную частоту контура, что можно измерить достаточно простым методом.

Сейчас время, в течение которого транзистор-кубит может хранить в себе квантовую информацию, не превышает 100 пикосекунд, но в самом скором времени исследователи собираются увеличить это время до 1 наносекунды, чего уже будет вполне достаточно для выполнения базовых операций по обработке квантовой информации.

Кроме этого, при создании квантовых вычислительных систем потребуется обеспечить квантовую запутанность двух или большего числа кубитов между собой. Этого, в данном случае, можно легко добиться, разместив два транзистора очень близко друг к другу или на одном нанопроводнике, что обеспечит электростатическое сцепление между электронами в обоих транзисторах.

"Если вы произведете операцию над электронами в одном транзисторе, это затронет квантовое состояние второго транзистора и наоборот" - пишут исследователи, - "Такие взаимодействующие два кубита как раз и являются основой для создания целого набора элементов, необходимых для изготовления полноценного квантового компьютера".