Учёные соединили два атома на расстоянии с помощью квантовой физики

Почему квантовые компьютеры на кремнии стали на шаг ближе: разбор эксперимента с ядрами фосфора

Два ядра фосфора, разделенные 20 нанометрами кремния, впервые оказались связаны квантовой запутанностью. Это не просто лабораторный курьез — это ключ к масштабируемым квантовым процессорам. Инженеры Университета Нового Южного Уэльса показали, как заставить работать двухкубитный вентиль, используя электроны как почтальонов. Давайте разберем, что на самом деле произошло и почему это важно.

Раньше считалось, что ядра атомов слишком «закрыты» для быстрых операций, а электроны — слишком легкие и быстрые. Но именно их комбинация дала результат. Исследователи взяли два атома фосфора, внедренных в кремниевую решетку. Каждый атом имел один свободный электрон. Эти электроны выступили в роли связующих звеньев.

Как это работает: электроны-посредники

Электрон способен «размазываться» в пространстве — одновременно взаимодействовать с несколькими ядрами. Но радиус действия одного электрона мал. Чтобы соединить два ядра, нужны два электрона, каждый при своем атоме. Ученые заставили электронные облака перекрываться на расстоянии. Это создало эффективный канал связи между ядерными спинами.

Микро-инструкция «в двух словах»: представьте, что два человека держат веревки, а их концы связывает третий. Здесь электроны — это концы, а квантовая запутанность — узел. Чем дальше разнесены люди, тем сложнее связать веревки — именно эту проблему решили.

В ходе эксперимента реализовали двухкубитную управляемую логическую операцию Z между ядерными спинами. Команда подготовила и измерила ядерное состояние Белла с точностью 76% и когерентностью 0,67. Результаты опубликованы в Science.

Цифры и факты: 76% — это хорошо или плохо?

Для первого опыта — отлично. В квантовых вычислениях порог отказоустойчивости часто лежит около 99%. Но до коррекции ошибок еще далеко. Главное — показана принципиальная возможность запутывать ядра на таком расстоянии.

Важно: ядерные кубиты живут дольше электронных — спины ядер фосфора в кремнии могут хранить состояние минуты, а не микросекунды. Это делает их идеальными для квантовой памяти.

Почему это прорыв для масштабирования

Большинство квантовых компьютеров сегодня используют сверхпроводящие цепи или ионы в ловушках. Но у них есть проблемы: потребность в экстремальном охлаждении, сложность интеграции. Кремний — это зрелая, сотни раз проверенная технология. Если научиться делать кубиты на примесных атомах, их можно будет производить на тех же фабриках, что и обычные чипы. Масштаб сразу миллионы — это не фантастика, а инженерная задача.

Личное наблюдение автора: недавно я заметил, что многие компании вкладывают миллиарды в сверхпроводящие схемы, а такие фундаментальные работы по кремнию часто остаются в тени. Но именно этот путь может стать «темной лошадкой» — ведь инфраструктура уже есть, осталось научиться собирать атомы с нанометровой точностью.

Исследователи планируют увеличить число электронов в системе и придать им вытянутую форму — это позволит разнести ядра еще дальше. Следующая цель: 100 нм и более. Если это удастся, мы получим архитектуру, в которой кубиты можно располагать на чипе, как транзисторы.

Что дальше? Путь к практическим компьютерам

Пока рано говорить о продаже квантовых гаджетов. Точность 76% недостаточна для полноценных вычислений: нужна коррекция ошибок, а для этого — тысячи физических кубитов. Но именно такие эксперименты закладывают основу. Если бы 20 лет назад кто-то сказал, что мы сможем контролировать отдельные атомы в твердом теле, его бы подняли на смех. Теперь это рутина.

Резюме от автора: главное — мы увидели, что квантовая запутанность между ядрами на расстоянии 20 нм возможна. Следующий шаг — увеличить расстояние и количество. Если это удастся, мы получим архитектуру для квантового компьютера, которую можно производить как обычные чипы. И тогда «кремниевая революция» получит продолжение — уже на атомном уровне.