«Атомный дырокол» превратил обычные материалы в компоненты квантовых компьютеров
В новой работе исследователи из США рассказали об устройстве, с помощью которого можно превращать материалы, плохо проводящие электрический ток, в эффективные проводники для последующего использования в квантовых компьютерах. По мнению ученых, разработка сделает такие компьютеры «повседневной реальностью».
Основу большинства современной вычислительной техники составляет кремний — второй по распространенности химический элемент на Земле. Он обладает умеренной электрической проводимостью, поэтому его часто используют в производстве компьютерных микросхем и транзисторов. Последние — строительные блоки современного компьютера: они играют роль переключателя, останавливают электрический ток или позволяют ему течь.
Однако возможности кремния не безграничны, у него есть ограничения, которые сказываются на вычислительной мощности устройства. Например, в отличие от металлов, при низких температурах кремний практически прекращает проводить электрический ток из-за малого количества свободных электронов. Хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к «дырочной проводимости» (когда носителем тока выступают квазичастицы с положительным зарядом, «дырка» — место, где нет электрона), которая важна для некоторых типов микросхем. Также кремний не очень хорошо проводит тепло, что вызывает проблемы с перегревом.
Все известные на сегодня суперкомпьютеры состоят из компонентов, в состав которых входит кремний. Хотя такие устройства и преподносят как «самые быстрые», на деле это не совсем верно.
Для ряда специализированных задач они гораздо медленнее квантовых компьютеров, которые, в отличие от суперкомпьютеров, не имеют «кремниевых ограничений» (в них используются другие типы проводников) и применяют принципиально другую логику вычислений. Они работают по принципам квантовой механики и обрабатывают информацию не в битах, а в кубитах. Кубиты вмещают в себя гораздо больше данных.
В итоге квантовый компьютер, созданный в 2020 году ученым из Научно-технического университета Китая, за 200 секунд может выполнить специализированный расчет, который у классического суперкомпьютера занял бы полтора миллиарда лет.
Сегодня квантовые компьютеры — большая редкость, они есть лишь у некоторых китайских, канадских, европейских и американских компаний, таких как IBM, Google и Rigetti. Главная причина столь малой распространенности — дороговизна. Компоненты, из которых делают эти установки, стоят больших денег. В 2017 году канадская компания D-Wave выпустила на рынок квантовый компьютер D-Wave 2000Q с процессором на 2000 кубит стоимостью 15 миллионов долларов США.
А если бы квантовые компьютеры можно было создавать из простых и дешевых материалов, что бы произошло? Наверняка настоящая «вычислительная революция». Такое устройство смог бы позволить себе любой ученый, с помощью этого компьютера можно быстро и точно решать сложные задачи. К примеру, моделировать сложные молекулярные системы, что в химии и фармацевтике имеет большое значение.
Ученые давно ищут способ, который помог бы удешевить материалы, необходимые для создания квантовых компьютеров. И, похоже, это получилось у группы американских физиков из Калифорнийского университета в Ирвайне и Лос-Аламосской национальной лаборатории. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи описали метод, позволяющий превращать диэлектрики в проводники, которые затем можно использовать в квантовых компьютерах.
«Представьте, что вы берете стекло, которое обычно считается диэлектриком и относительно дешево в производстве, а затем превращаете его в эффективный проводник тепла и электричества, подобный меди. Материалы, которые мы создали в лаборатории с помощью нашего метода, — вещества, обладающие уникальными электрическими или квантовыми свойствами из-за их специфической формы и атомной структуры», — пояснил Луис Хауреги (Luis Jauregui), один из авторов исследования.
Команда американских ученых разработала специальное устройство, которое они назвали «станцией». С помощью этой «станции» физики могут деформировать материал на атомном уровне: прилагать контролируемое напряжение к нему и менять его атомную структуру. Например, таким образом можно изменить электронные свойства образца и заставить его лучше проводить тепло и электричество. После чего материал можно применять в квантовых вычислениях.
В экспериментах исследователи приложили напряжение к «обычному» пентателлуриду гафния (HfTe5) и превратили его в материал с уникальными квантовыми свойствами, который теперь можно использовать в качестве важного элемента квантового компьютера.
«Чтобы создать такие детали, нужно „проделать дыру“ в атомной структуре материала. Это можно сделать благодаря деформационной инженерии», — объяснил Хауреги.
Контролируя напряжение, исследователи могли «включать» и «выключать» изменения, происходящие на атомном уровне, что очень важно для создания специальных переключателей в квантовых компьютерах.
Открытие американских ученых может произвести прорыв в области квантовых вычислений, а именно — позволит создать более мощные и эффективные компьютеры, способные совершить революцию в медицине, материаловедении и технологиях искусственного интеллекта. Кроме того, это удешевит необходимые для создания таких устройств компоненты, что сделает квантовые компьютеры более распространенными.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии