«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 Исследователи из МИЭМ ВШЭ и ИПКОН РАН разработали новую математическую модель мониторинга, которая позволяет фиксировать источник опасных подземных вибраций в реальном времени. Технология поможет снизить риск повреждения зданий, дорог и другой инфраструктуры рядом с карьерами и шахтами.
Планетологи обнаружили на поверхностях Титана и Плутона схожую полосу поглощения, которая не совпадает со спектрами известных льдов или органических соединений. Этот загадочный «провал» может указывать на то, что на двух очень разных ледяных мирах Солнечной системы существует общий, пока неизвестный науке класс химических веществ, поглощающий свет, который формируется под действием экстремального холода и космической радиации.
На севере Австралии живет паук с весьма необычными охотничьими повадками. Он возводит «конструкцию», которая работает как древнее метательное оружие. Добыча взлетает над землей, а потом запутывается в паучьей сети. Такая тактика охоты, по-видимому, применяется лишь по отношению к конкретному виду муравьев.
Паразитические организмы иногда не учитывают, что сами могут оказаться целью паразита более высокого уровня. Сосредотачивая все свои силы на инфицировании и размножении, они остаются беззащитными перед агрессивным специализированным нахлебником.
Интригующие испытания высотного ракетного двигателя Raptor Vacuum для корабля Starship, верхней ступени сверхракеты Илона Маска, парадоксальны. Его работа на уровне моря уже сама по себе загадка. Ведь, по классическим представлениям, высотные двигатели на уровне моря корректно не работают. А сопло RaptorVAC на наземном стенде извергает реактивную струю без всяких признаков нарушения работы. Как такое может быть?
В нижних и верхних слоях Урана астрономы впервые зарегистрировали угарный газ и циановодород. Новые данные указали на то, что недра планеты могут быть значительно обогащены кислородом. Это открытие поможет разрешить давнюю загадку о том, сформировался ли Уран иначе, чем его ближайший сосед Нептун, или их образование шло по схожему сценарию.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
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.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
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