Самая интересная часть квантового компьютера это, пожалуй, кубит. Как с точки зрения материаловедения устроен кубит и что позволяет проявлять ему такие фантастические свойства?

Давайте вспомним самые основные моменты, которые тесно связаны с физикой работы кубита. Как это водится, стоит начать с полупроводников. Без этого не прочувствовать принципиальную разницу.

Материаловедение полупроводника

Привычные всем полупроводниковые устройства работают довольно просто. Это группа транзисторов, объединенных в сложную архитектуру и выдающих на выходе ожидаемое напряжение (ну или не выдающих).

Полупроводниковые транзисторы часто вполне уместно сравнивают с открытым или закрытым краном для подачи самой обычной воды. При этом кран - это вентиль, являющийся инструментом и позволяющий собирать простейшие управляемые логические цепочки.

Материаловедение полупроводникового транзистора простое. Полупроводник проводит электрический ток только при определенных физических условиях и занимает место между диэлектриками и проводниками. Одним из условий проводимости для полупроводника является легирование - искусственное увеличение количества свободных электронов или вакантных мест для них.

Есть полупроводниковые материалы, "богатые" электронами, а есть материалы "богатые" вакантными местами для размещения этих электронов. Если соединить друг с другом материал, обладающий большим количеством вакантных мест (или дырок) и материал, обладающий большим количеством носителей заряда (электронов), то в одно направлении ток будет проходить, а в другом нет. Получится полупроводниковый диод.

Если же комбинировать материалы по принципу электроны - дырки - электроны, то в таком тройном бутерброде получится управляемая область. Подача электрического тока на управляемую зону, где отсутствуют носители заряда, откроет эту область и позволит току протекать через транзистор. Тут можно было бы сказать, что бывают транзисторы p-n-p или n-p-n, но это сейчас не столь важно.

Базовый принцип материаловедения транзистора прост. Взять в транзисторный бутерброд такие материалы, которые обеспечат проводимость только если посредством подачи электрического тока на промежуточный слой будет происходить добавление электронов (или диаметрально противоположный вариант для другого типа полупроводника).

Основные материалы для транзисторов - германий и кремний. Для того, чтобы добиться «эффекта изобилия» дырок или электронов, основной материал легируется. Легирующими компонентами выступают обычно алюминий, галлий или индий. Логика, в общем-то, простая - добавить к атомам основного элемента "примесного кукушонка", который внедрится в кристаллическую решетку основы и привнесет новые свободные электроны в основной компонент (ну или перетянет себе те, что есть в относительно свободном состоянии, обладая большим количеством вакантных мест с выгодным энергетическим переходом).

Результат мы все знаем. Получается полупроводниковый транзистор, на базе которого можно собрать логическую ячейку. Всё просто по одной причине - по большому счёту, мы делаем обычный управляемый водопроводный кран с положениями да/нет и это ложится на привычные нам 1 и 0. 1 и 0, если помните - это и есть бит. Строго фиксированные значения.

Квантовое материаловедение

Квантовые компьютеры же известны тем, что технология не подразумевает работу с конкретными значениями. Тут нет 1 и 0. Вместо бита основным элементом становится ку-бит. Кубит интересен тем, что способен принимать весь диапазон значений от 0 до 1, причем с некоторой вероятностью. Скажем, в конкретный момент времени кубит может принимать значение «1» с вероятностью 30%. В итоге и алгоритм компьютера работает с вероятностными показателями.

Для осознания нужно хорошо понимать основы квантовой физики, но думаю достаточно будет уяснить, что кубит всегда находится во всех возможных состояниях сразу. Это и 0, и 1, со всеми сопутствующими вероятностями принятия 1 и 0.

Так проявляется квантовая суперпозиция - специфическое свойство, позволяющее квантовой частице принимать сразу все возможные состояния. Конкретное значение фиксируется благодаря эффекту наблюдателя - нужно измерить искомое свойство и тогда суперпозиция разрушится, а кубит примет одно из ожидаемых конкретных значений.

Вероятностное исчисление требует специальной логики построения алгоритма, который работает совсем не так, как в привычном нам случае. Как правило, квантовые алгоритм ориентированы на работу с какой-то одной хорошо описанной задачей. Например, прогнозирование изменения температуры какой-то природной зоны. Факт измерения кубита приведет к фиксации значения и завершению работы алгоритма.

Если мы сравнивали полупроводниковый транзистор с управляемым краном, то кубит - это нечто типа закрытого ящика, в котором может лежать что угодно и его содержимое определяется вероятностью. Открываешь ящик измерением и узнаешь результат. Если математически описать вероятность нахождения того или иного результата в ящике, то это можно использовать, как способ решения некоторой задачи.

И вот тут начинается самое интересное. А как и из чего сделать эту волшебную коробку с точки зрения материаловедения?

Если полупроводниковый компьютер работал как механическое устройство, то квантовые кубиты так сделать точно не выйдет. Вместо транзисторов изначально даже использовались механические клапана, поскольку значения было всего два и они были строго определены.

Но вот квантовый компьютер в механическом эквиваленте представить невозможно. Попробуйте сделать кран, который и открыт, и закрыт сразу. Почти кот Шрёдингера. Ящик с сюрпризом.

Оперировать тут необходимо квантовыми частицами, да ещё и в состоянии суперпозиции. Вот только что это с позиции материаловедения?

На самом деле, всё равно из чего сделать квантовый кубит. Главное, чтобы это что-то было в контролируемом состоянии суперпозиции. Состояние суперпозиции достигается у частиц при создании низких температур где-то рядом со значениями сверхпроводимости, когда вся термодинамическая активность замирает. Там же проявляется порой и эффект сверхпроводимости.

Технически кубиты могут представлять собой самые разные объекты. Холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке. Но самым популярным и удобным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона.

Джозефсоновский контакт - это тип соединения двух сверхпроводников через тонкий слой диэлектрика. Материалы можно выбрать разные. Сверхпроводящие контакты можно сделать хоть из алюминия, а прослойку изготовить из висмута-теллура-селена или оксида алюминия.

Через джозефсоновский контакт могут туннелировать куперовские пары электронов, ответственные за перенос тока в сверхпроводнике. Куперовская пара, если очень утрировать - это сам электрон и место для размещения этого электрона в сверхпроводнике. Посредством переноса пар проявляется квантовое туннелирование в джозефсоновском контакте.

Квантовое туннелирование, как мы помним - ​это эффект, при котором частица может проходить через барьер, когда ее энергия меньше, чем нужна для перепрыгивания высокого барьера. Процесс это вероятностный и при измерении можно фиксировать положение частицы относительно барьера. Мы помним, что квантовое туннелирование интересно тем, что всегда есть ненулевая вероятность оказаться внутри барьера ну или проявиться за ним. Остаётся измерить положение куперовской пары. Так и получается кубит.

Мы можем предполагать, что пара находится в момент измерения за потенциальным барьером с вероятностью 20%. Само собой, образно. Мы проверяем этот факт измерением и фиксируем кубит.

Джозефсоновские кубиты ведут себя подобно отдельным атомам: способны находиться в основном и в нескольких возбуждённых состояниях, занимать сразу несколько положений согласно суперпозиции, обмениваться энергией при помощи излучения и поглощения фотонов и даже моделировать режимы лазерной генерации. 

Отметим, что это не единственный вариант подхода к созданию кубита. Но, пожалуй, он самый простой.

Принципиальное различие во всей этой схеме относительно полупроводника - сложные условия для поддержания суперпозиции. Именно это обстоятельство требует сохранение постоянной низкой температуры у системы.

Технически кубит (или квантовый процессор) представляет собой несколько тонких металлических пластинок, склеенных друг с другом тонким слоем диэлектрика. Сделать это просто. Сложно создать условия, соответствующие состоянию суперпозиции, инициировать это состояние частицы и сохранить длительное время. Поэтому, квантовый процессор - это небольшой металлический брусок, а вместе с системой охлаждения вся конструкция занимает пару комнат.

Нужна система охлаждения и устройство, способное с помощью внешнего электромагнитного поля, резонансного к частоте перехода, создать суперпозиционное состояние между двумя соседними энергетическими уровнями в рассматриваемом кубите. Это сложные и технически сложные физические состояния объектов. 

Если вам понравилась моя статья, то приглашаю также изучить другие мои заметки на эту тему (хэштег рубрики #квантовыйкомпьютер).