Table of Contents

Полупроводниковый путь к квантовому преимуществу

Квантовые вычисления меняют то, что возможно в вычислительном отношении, предлагая экспоненциальные ускорения для задач, которые остаются неразрешимыми для классических машин. Среди многих подходов к созданию квантового компьютера, квантовые компоненты на основе полупроводников появились в качестве ведущего кандидата на масштабируемые, практические устройства. Используя материалы и методы изготовления, уже усовершенствованные классической полупроводниковой промышленностью, исследователи работают над созданием квантовых процессоров, которые могут быть изготовлены в масштабе, интегрированы с существующей электроникой и в конечном итоге развернуты в центрах обработки данных и исследовательских учреждениях по всему миру.

Полупроводниковые кубиты предлагают уникальную комбинацию длительных времен когерентности, небольшого физического следа и совместимости с CMOS (комплементарными процессами производства металл-оксид-полупроводник). Эти атрибуты делают их сильным претендентом на первую действительно масштабируемую платформу квантовых вычислений. В последние годы область быстро развивается, демонстрируя операции с затворами высокой точности, многокубитную запутанность и коррекцию квантовых ошибок в системах на основе кремния. Потенциал создания квантовых компьютеров с использованием тех же заводов, которые производят современные микропроцессоры, может резко снизить затраты и ускорить временную шкалу до практического квантового преимущества.

В статье рассматривается современное состояние полупроводниковых квантовых компонентов, ключевые технологии, способствующие прогрессу, проблемы, которые остаются, и перспективные разработки, которые будут определять будущее этой критической области.

Текущее состояние полупроводниковых квантовых компонентов

Современные полупроводниковые квантовые компоненты построены в основном из кремния и германия, материалов, которые хорошо понятны и широко используются в классической электронике. Исследователи продемонстрировали высококачественные кубиты в кремнии с использованием как спинового, так и фотонного подходов. Силиконовые спиновые кубиты, которые кодируют квантовую информацию в спиновом состоянии одного электрона или дырки, достигли однокубитовых ворот, превышающих 99,9%, и двухкубитовых ворот, превышающих 99%. Эти результаты ставят кремниевые системы на поразительном расстоянии от порогов, необходимых для отказоустойчивых квантовых вычислений.

Германий, когда-то доминирующий полупроводниковый материал до того, как его обогнал кремний, пережил возрождение квантовых исследований. Квантовые скважины германия могут содержать спиновые кубиты дырок с сильной спин-орбитальной связью, что позволяет проводить быстрые и электрически управляемые кубитные операции. Исследователи также продемонстрировали квантовые точки в германиевых гетероструктурах, которые демонстрируют длительные времена когерентности и высокую точность считывания. Совместимость германия с обработкой кремния делает его привлекательным вариантом для будущих гибридных квантово-классических чипов.

Помимо отдельных кубитов, был достигнут значительный прогресс в создании небольших квантовых процессоров с несколькими полупроводниковыми кубитами. Недавние эксперименты показали двухкубитные логические вентили, трехкубитные ворота Тоффоли и квантовые схемы, выполняющие простые алгоритмы, такие как поиск Гровера и факторинг Шора в небольшом масштабе. Эти демонстрации подтверждают основную физику и инженерию полупроводниковых кубитов, прокладывая путь для более крупных систем.

Существующая инфраструктура производства полупроводников обеспечивает мощное преимущество для квантовых компонентов на основе кремния. Литейные предприятия, которые производят чипы CMOS, могут быть адаптированы для изготовления квантовых устройств, что потенциально позволяет быстро масштабировать от нескольких десятков кубитов до тысяч или миллионов. Несколько стартапов и исследовательских групп уже работают с коммерческими литейными предприятиями для производства квантовых процессоров, сигнализируя о переходе от академических экспериментов к промышленному развитию.

Ключевые технологии вождения полупроводниковых кубитов

Кремниевый спин Qubits

Силиконовые спиновые кубиты являются наиболее зрелой полупроводниковой кубитной технологией. Они обычно состоят из одного электрона или дырки, захваченной в квантовую точку, образованную электростатическими воротами на кремниевой подложке. Спиновое состояние частицы служит кубитом, с микроволновыми импульсами или магнитными полями, используемыми для манипулирования квантовой информацией. Ядерная спиновая среда изотопно очищенного кремния-28 оказалась критической для достижения длительных когерентных времен, поскольку она устраняет декогеренцию, вызванную колебанием ядерных спинов.

Последние достижения продемонстрировали, что спиновые кубиты кремния могут работать при температурах выше одного Кельвина, что является важным шагом на пути к снижению криогенных требований к охлаждению. Более высокие рабочие температуры упрощают конструкцию криостата и снижают энергопотребление, делая крупномасштабные квантовые компьютеры более практичными. Исследователи также показали, что спиновые кубиты кремния могут быть объединены с классической управляющей электроникой на одном чипе, уменьшая сложность межсоединений и маршрутизации сигналов.

Кремниевые фотонные кубиты

Другой перспективный подход использует кремниевую фотонику для кодирования квантовой информации в одиночных фотонах. Кремний является отличной платформой для фотонных схем из-за его высокого показателя преломления и совместимости с изготовлением CMOS. Кремниевые фотонные кубиты работают при комнатной температуре, устраняя необходимость криогенного охлаждения, и они предлагают сильное сопротивление декогеренции, потому что фотоны слабо взаимодействуют с окружающей средой.

Интегрированные фотонные схемы на кремниевых чипах могут генерировать, манипулировать и обнаруживать однофотонные кубиты с помощью таких компонентов, как кольцевые резонаторы, интерферометры Маха-Зендера и сверхпроводящие нанопроводные однофотонные детекторы. Эти схемы могут реализовывать линейные оптические квантовые вычислительные протоколы, включая вероятностные вентили и квантовые вычисления кластерного состояния. В то время как фотонные кубиты требуют разных подходов к масштабируемости, чем спиновые кубиты, они предлагают преимущества в подключении и способности работать при более высоких температурах.

Кубиты Germanium Hole

Кубиты спина дырки в германиевых квантовых скважинах привлекли внимание своей быстрой скоростью затвора и сильной спин-орбитальной связью. В германии валентная структура полосы приводит к состояниям тяжелой и легкой дырки с различными свойствами. Взаимодействие спин-орбит в этих системах позволяет управлять кубитом, используя только электрические поля, без необходимости использования микроволновых магнитных полей или микромагнитов. Это упрощает изготовление устройства и уменьшает рассеивание тепла.

Кубиты германиевых дырок продемонстрировали однокубитовые затворные точности выше 99,9 процента и когерентность, превышающую 100 микросекунд. Исследователи также показали, что квантовые точки германия могут быть соединены на расстояниях в несколько сотен нанометров, что позволяет осуществлять взаимодействия кубитов на больших расстояниях. Возможность изготовления квантовых скважин германия на кремниевых подложках с использованием стандартных методов осаждения делает этот подход совместимым с существующим производством полупроводников.

Проблемы, стоящие перед развитием

Несмотря на значительный прогресс в области полупроводниковых квантовых компонентов, перед этими системами остается несколько значительных проблем, прежде чем они смогут полностью реализовать свой потенциал. Эти проблемы охватывают материаловедение, проектирование устройств и архитектуру системы.

Согласованность и декогеренция

Когерентность кубитов, способность поддерживать квантовое состояние ненарушенным, является фундаментальным требованием для квантовых вычислений. Полупроводниковые кубиты уязвимы к декогеренции от колебаний электрических и магнитных полей, шума заряда в окружающем материале и спин-спиновых взаимодействий с ядерными спинами. В то время как изотопная очистка кремния резко сократила ядерную спиновую ванну, шум заряда остается ограничивающим фактором для многих устройств. Шум заряда возникает из-за дефектов и ловушек в диэлектрических слоях и интерфейсах, вызывая колебания электростатического потенциала, которые нарушают энергетические уровни кубита.

Исследователи занимаются шумом заряда за счёт улучшения качества материала, оптимизированной геометрии устройств и методов динамического подавления ошибок. Использование кремниево-германийских гетероструктур с атомарно резкими интерфейсами позволило снизить шум заряда в некоторых системах более чем на порядок. Кроме того, эхо-последовательности и методы динамического разъединения могут увеличить время когерентности за счёт фильтрации низкочастотных шумовых компонентов.

Ошибки и исправления

Показатели ошибок полупроводниковых кубитов, хотя и впечатляющие, все же превышают пороги, необходимые для отказоустойчивых квантовых вычислений со стандартными кодами коррекции ошибок. Ошибки шлюза накапливаются во время квантовых операций, а ошибки измерения снижают точность считывания. Современные полупроводниковые кубиты имеют ошибки однокубитного затвора около 0,1 процента и ошибки двухкубитного затвора около 1 процента по сравнению с порогом 0,01 процента, обычно необходимым для коррекции ошибок поверхностного кода.

Прогресс в снижении частоты ошибок зависит от достижений в материалах, разработке ворот и методах управления. Улучшение однородности свойств кубита на чипе, уменьшение перекрестных перепалок между соседними кубитами и оптимизация форм импульсов могут способствовать снижению частоты ошибок. Сама коррекция квантовых ошибок также требует значительных накладных расходов на количество физических кубитов на логический кубит, что делает масштабирование количества кубитов критической параллельной целью.

Интеграция с классическими системами

Практичный квантовый компьютер должен интегрировать кубиты с классической управляющей и считывающей электроникой. Эта интеграция представляет собой серьезные инженерные проблемы. Классическая электроника генерирует тепло и электрический шум, которые могут нарушать квантовые состояния. Плотность проводки, необходимая для управления миллионами кубитов, огромна, а маршрутизация сигналов от контроллеров комнатной температуры до криогенных кубитов создает тепловую нагрузку и деградацию сигнала.

Криогенная КМОП-электроника, предназначенная для работы при температурах ниже четырех Кельвинов, предлагает решение. Эти специализированные схемы могут быть размещены вблизи кубитов, снижая сложность проводки и улучшая целостность сигнала. Однако проектирование КМОП-схем, функционирующих при криогенных температурах, требует тщательного моделирования поведения транзисторов, которое значительно меняется при низких температурах. Несколько исследовательских групп продемонстрировали базовые схемы управления и считывания в криогенных КМОП, и для достижения производительности и плотности, необходимых для крупномасштабных систем, необходима дальнейшая разработка.

Криогенные требования

Большинство полупроводниковых кубитов требуют работы при температурах милликельвина, достигаемых с помощью разбавляющих холодильников. Эти криостаты сложны, дороги и потребляют значительную мощность. Охлаждение при температурах милликельвина ограничено несколькими милливаттами, что накладывает строгие ограничения на рассеивание мощности управляющей электроники и межсоединений. Последние работы, показывающие работу кремниевых спиновых кубитов при температурах выше одного Кельвина, могут снизить криогенную нагрузку, но для практических систем необходимы дальнейшие увеличения.

Будущее полупроводниковых квантовых компонентов

Несколько перспективных разработок могут изменить будущее полупроводниковых квантовых вычислений. К ним относятся достижения в области материалов, изготовления, системной архитектуры и коррекции ошибок, которые вместе могут открыть путь к отказоустойчивым квантовым машинам с практическими возможностями.

Улучшенные материалы и интерфейсы

Инновации в области чистоты материалов и инженерии интерфейсов будут продолжать повышать стабильность и когерентность кубитов. Изотопно обогащенный кремний, который удаляет 4,7 процента атомов кремния-29, которые несут ядерный спин, уже доказал свою важность для длительного времени когерентности. Дальнейшие улучшения в чистоте и кристаллическом совершенстве слоев кремния и германия, наряду с лучшим контролем диэлектрических интерфейсов, уменьшат шум заряда и увеличат когерентность дальше.

Исследователи также изучают альтернативные диэлектрические материалы и методы поверхностной пассивации, чтобы минимизировать дефекты. Осаждение атомного слоя и эпитаксис молекулярного пучка используются для создания атомарно точных интерфейсов, которые подавляют флуктуации заряда. Эти достижения материала будут напрямую переводить на более низкие скорости ошибок и более надежные кубитные операции.

Масштабируемое производство с использованием инфраструктуры CMOS

Использование существующих полупроводниковых производственных процессов является одним из наиболее убедительных преимуществ полупроводникового подхода к квантовым вычислениям. Литейные заводы, производящие передовые CMOS-чипы, работают в экстремальных масштабах, обрабатывая сотни пластин в час с точностью нанометрового уровня. Адаптация этих мощностей для изготовления квантовых устройств может позволить производить чипы, содержащие миллионы кубитов, за долю стоимости специализированных линий квантового производства.

Для изучения этого пути уже формируются промышленные партнерства. Несколько компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, объявили о сотрудничестве с полупроводниковыми литейными цехами для производства тестовых чипов и небольших квантовых процессоров. Возможность использовать стандартные этапы процесса с минимальными модификациями будет иметь ключевое значение для достижения целей по стоимости и доходности, необходимых для коммерциализации. По мере созревания производственных процессов мы можем ожидать увидеть квантовые процессоры, изготовленные вместе с классической электроникой на одном кристалле, создавая по-настоящему интегрированные квантово-классические системы.

Гибридные системы, сочетающие в себе кубитные режимы

Ни одна технология кубита не может решить все проблемы в квантовых вычислениях. Гибридные системы, которые объединяют полупроводниковые кубиты с другими модальностями, такими как сверхпроводящие кубиты, захваченные ионы или фотонные межсоединения, могут предложить большую универсальность и производительность. Полупроводниковые кубиты могут выступать в качестве элементов памяти высокой плотности, в то время как другие технологии обеспечивают быстрые ворота или соединения на большие расстояния. Гибридный квантовый процессор может использовать спиновые кубиты для локальных операций и фотонные связи для подключения удаленных модулей, сочетая сильные стороны каждого подхода.

Спин-фотонные интерфейсы являются особенно активной областью исследований. Путем соединения полупроводникового кубита с одним фотоном квантовая информация может передаваться по волоконно-оптическим кабелям, позволяя распределять квантовые вычисления и квантовые сети. Недавние эксперименты продемонстрировали спин-фотонную запутанность с использованием кремниевых и арсенидных галлия квантовых точек, закладывая основу для квантовых ретрансляторов и распределенных квантовых процессоров.

Достижения в квантовой коррекции ошибок

Квантовая коррекция ошибок необходима для построения отказоустойчивых квантовых компьютеров. Поверхностный код, ведущая схема коррекции ошибок для многих кубитных платформ, требует высокоточных ворот и двумерного массива кубитов. Полупроводниковые кубиты естественным образом подходят для плоского изготовления, что делает их хорошо подходящими для реализации поверхностного кода. Недавние эксперименты продемонстрировали поверхностные циклы кода с полупроводниковыми кубитами, показывая, что обнаружение и коррекция ошибок осуществимы.

Помимо поверхностного кода разрабатываются новые коды коррекции ошибок и методы оптимизации, которые могли бы уменьшить физические накладные расходы на кубиты, необходимые для отказоустойчивости. Коды проверки четности низкой плотности, сцепленные коды и адаптированные коды, которые используют специфические шумовые характеристики полупроводниковых кубитов, могут предложить значительные улучшения. Достижения в алгоритмах декодирования, включая декодеры на основе машинного обучения, также уменьшат задержку и сложность исправления ошибок.

Последствия для технологии и общества

По мере того, как квантовые компоненты на основе полупроводников созревают и масштабируются, они будут разблокировать преобразующие приложения в нескольких областях. Возможность решать проблемы, которые трудноразрешимы для классических компьютеров, приведет к прорывам в науке, технике и торговле.

Криптография и безопасные коммуникации

Квантовые компьютеры представляют прямую угрозу для многих криптографических систем, которые сегодня обеспечивают безопасность цифровых коммуникаций. Алгоритм Шора может учитывать большие целые числа и вычислять дискретные логарифмы в полиномиальное время, нарушая криптографию RSA и эллиптической кривой. Квантовые компьютеры на основе полупроводников, как только они достигнут необходимого масштаба, могут выполнять эти атаки против реальных криптографических ключей.

В то же время квантовые технологии предлагают новые подходы к безопасности. Квантовое распределение ключей использует принципы квантовой механики для генерации безопасных ключей, которые невозможно перехватить без обнаружения. Интеграция полупроводниковых кубитов с фотонными компонентами может позволить компактные, экономически эффективные терминалы распределения квантовых ключей для защищенных сетей связи. Постквантовая криптография, использующая классические алгоритмы, устойчивые к квантовым атакам, также будет играть решающую роль в поддержании безопасности по мере развития квантовых компьютеров.

Открытие лекарств и материаловедение

Квантовые компьютеры преуспевают в моделировании квантовых систем, делая их мощными инструментами для химии и материаловедения. Моделирование молекулярных взаимодействий и механизмов реакции является фундаментальной проблемой в открытии лекарств, требуя точного расчета энергии электронной корреляции. Классические компьютеры борются с этими расчетами для всех, кроме самых маленьких молекул, ограничивая скорость разработки лекарств.

Полупроводниковые квантовые процессоры могли бы имитировать молекулы лекарств, катализаторы и материалы батареи с точностью, необходимой для руководства экспериментальным дизайном. Фармацевтические компании и исследовательские организации материалов уже изучают квантовые алгоритмы для молекулярного моделирования, включая вариационный квантовый собственный растворитель и квантовую фазовую оценку. Неисправно-толерантный квантовый компьютер с тысячами логических кубитов мог бы имитировать молекулы, которые находятся далеко за пределами досягаемости классических суперкомпьютеров, потенциально сокращая время и стоимость вывода новых лекарств и материалов на рынок.

Климатическое моделирование и сложные системы

Климатические модели опираются на решение сложных систем уравнений, описывающих атмосферные, океанические и земные процессы.Многие из этих процессов работают в масштабах, которые не могут быть полностью разрешены в классических симуляциях, приводя к приближениям, вносящим неопределенность.Квантовые компьютеры могли бы с большей точностью моделировать динамику жидкости, химические реакции и радиационный перенос, улучшая предсказательную силу климатических моделей.

Помимо климата, квантовые вычисления могли бы трансформировать моделирование финансовых рынков, цепочек поставок и биологических систем. Возможность оптимизировать большие системы в условиях неопределенности, используя такие алгоритмы, как квантовое отжиг или квантовый приблизительный алгоритм оптимизации, могла бы улучшить логистику, распределение ресурсов и управление рисками. Квантовые компоненты на основе полупроводников, с их потенциалом для экономически эффективного массового производства, могли бы привести эти возможности в широкое использование в различных отраслях.

Безопасные коммуникации и квантовые сети

Те же полупроводниковые кубиты, которые образуют ядро квантовых процессоров, могут служить узлами в квантовых сетях. Эти сети распределяют запутанность между удаленными местоположениями, позволяя распределять квантовые ключи, распределять квантовые вычисления и слепые квантовые вычисления. Полупроводниковые спин-фотонные интерфейсы, где кубит связан с одним фотоном, являются естественным строительным блоком для квантовых повторителей, которые расширяют диапазон распределения запутанности.

По мере роста квантовых сетей они будут соединять квантовые компьютеры, датчики и конечные точки связи в квантовый интернет. Эта инфраструктура может поддерживать принципиально новые приложения, такие как безопасный доступ к удаленным квантовым процессорам, синхронизация часов за пределами классических ограничений и квантово-усовершенствованные сенсорные сети для геофизического мониторинга и медицинской визуализации. Опыт полупроводниковой промышленности в фотонике и электронике хорошо позиционирует ее для разработки компонентов, необходимых для этих сетей.

Заключение

Полупроводниковые квантовые компоненты представляют собой один из самых многообещающих путей к масштабируемым, практическим квантовым вычислениям. Опираясь на инфраструктуру и опыт установленной полупроводниковой промышленности, исследователи и компании работают над созданием квантовых процессоров, которые могут быть изготовлены в масштабе, интегрированы с классической электроникой и развернуты в реальных приложениях. В этой области достигнут значительный прогресс, с демонстрациями высокоточных кубитов, многокубитовых ворот и небольших квантовых процессоров на кремниевых и германиевых платформах.

Проблемы остаются в когерентности кубитов, скорости ошибок, интеграции с классическими системами и криогенных требованиях. Тем не менее траектория прогресса ясна. Улучшенные материалы, масштабируемые процессы изготовления, гибридные системные архитектуры и достижения в коррекции ошибок все сходятся для решения этих проблем. Перспективы полупроводниковых квантовых вычислений яркие, и технология находится на пути к практическому квантовому преимуществу в течение следующего десятилетия.

По мере того, как эти компоненты созревают, они преобразуют криптографию, открытие лекарств, материаловедение, моделирование климата и защищенные коммуникации. Влияние общества будет глубоким, переформатируя отрасли и позволяя открытия, которые сегодня выходят за рамки воображения. Будущее полупроводниковых квантовых вычислений строится в лабораториях и литейных заводах по всему миру, и его появление ознаменует новую главу в истории вычислений.

Для дальнейшего чтения о прогрессе и проблемах в полупроводниковых квантовых вычислениях см. Обзор природы кремниевых квантовых вычислений , Обзор германиевых дырочных кубитов из журнала Материалы для квантовых технологий , Научная статья о точности кремниевых спиновых кубитов , Суперпроводниковая наука и технология обзор криогенных CMOS для квантового управления и Природная статья о спин-фотонных интерфейсах в кремниевых квантовых точках .