QPU из кремния реальны — австралийский стартап Diraq сделал научное открытие

Введение

Стартап Diraq из Австралии поделился собственным революционным исследованием, которое доказывает возможность создания квантовых процессоров на основе кремния с использованием “спиновых кубитов”, упоминавшихся в теории квантовой запутанности. Ученые впервые продемонстрировали нарушение неравенства Белла для электронных спинов в кремниевых структурах, что подтвердило их нелокальную квантовую природу. Этот результат стал ключевым шагом в развитии масштабируемых квантовых вычислений.

Почему кремниевые квантовые кубиты считались невозможными?

Еще в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен описали феномен неизвестного типа квантовой запутанности, ставя под сомнение всю теорию квантовой механики. Они предположили, что частицы со спином и поляризацией (квантовые свойства частиц) могут обладать скрытыми параметрами, объясняющими их синхронизацию друг с другом на любом расстоянии. Это понятие получило название “локальный реализм” и шло вразрез теории относительности. Однако в 1964 году Джон Белл разработал математические уравнения, позволяющие экспериментально проверить феномен скрытых параметров — если уравнения решались неправильно, последующие вычисления выявляли квантовые свойства частиц, которые можно интерпретировать в волновую функцию, которая и выявляла “локальный реализм”. Этот метод получил название “неравенство Белла”.

Открытие Diraq

Команда Diraq сосредоточилась на изучении неравенства Белла, разработав собственный техпроцесс SiMOS (аналог КМОП), представляющий собой модифицированный кремниевый полевой транзистор, способный управлять одним спином электрона. При вычислении неравенства Белла и проверив его на своей платформе, они зафиксировали значение параметра S = 2,731, что значительно превышает предел традиционных систем (S ≤ 2). Точность состояния Белла составила более 97% без коррекции ошибок, а сама система работала при температуре 1,1 К (в 20 раз выше, чем у стандартных сверхпроводящих кубитов). Другими словами, Diraq удалось доказать существование квантовых кубитов из кремния. В отличие от предыдущих экспериментов с фотонами, где нарушение неравенства Белла наблюдалось еще в 1980-х, для электронов в кремнии подобные результаты были получены впервые. Эти прорывные результаты открывают перспективы для практического применения квантовых чипов на основе кремния, поскольку техпроцесс SiMOS можно создавать на том же промышленном оборудовании, которое используется для производства традиционных транзисторов и чипов. Как предполагают разработчики, каждый такой транзистор SiMOS может быть кубитом, что позволяет масштабировать систему до миллионов кубитов.

На самом деле, команда Diraq имеет весьма серьезный академический опыт в области квантовых вычислений. Основанная в 2022 году на базе Университета Нового Южного Уэльса, компания Diraq использует уникальные наработки в области спиновых кубитов. Их подход предполагает интеграцию квантовых транзисторов на основе кремния в стандартные полупроводниковые производственные линии. Каждый такой транзистор управляет спином отдельного электрона, что теоретически позволяет масштабировать систему до миллионов кубитов — даже современные квантовые процессоры Condor от IBM, которые считаются рекордсменами по количеству кубитов, имееют всего лишь 1121 кубитов.

Выводы

Как заявляет генеральный директор Diraq Эндрю Дзурак, успех их разработки не только подтверждает квантовую природу спиновых состояний, но и демонстрирует, что развитие кремниевых чипов дошло до того уровня, когда их можно использовать для создания коммерческих квантовых процессоров. Это событие стало не просто очередной наработкой, которая может принести пользу индустрии только при многолетнем развитии — изобретение Diraq может стать новым витком эволюции кремниевых платформ. Если кремниевым QPU дадут зеленый свет, скорее всего, в будущем квантовые процессоры будут использоваться не только в научном, но и коммерческом сегменте, обеспечивая максимальную производительность и масштабируемость вычислений.