Ученые впервые реализовали технологии квантовых вычислений при помощи обычных КМОП-транзисторов

Квантовые вычисления


В настоящее время бытует мнение о том, что квантовые компьютеры будут совершенно отличны от всей привычной нам вычислительной техники. Однако, результаты работы международной группы ученых указывают на совершенно обратное, им удалось создать фундаментальную часть любой квантовой вычислительной системы, квантовый бит или кубит, на базе достаточно традиционного кремниевго КМОП-транзистора, который во всех чертах не сильно отличается от транзисторов современных микропроцессоров.

Пытаясь поддержать темпы развития микропроцессорной техники, определенные известным законом Гордона Мура, исследователи пытаются насколько это возможно сокращать размеры транзисторов. Но все подобные усилия уже давно сводятся на нет квантовыми эффектами, в частности эффектом квантового туннелирования, возникающими в крошечных электронных устройствах, которые препятствуют их нормальному функционированию. Однако, то, что является "камнем преткновения" для разработчиков традиционной электроники, является благом для разработчиков квантовых систем.

Группа ученых, возглавляемая учеными из Кембриджской лаборатории компании Hitachi, в состав которой также входили и ученые из Японии, Франции и Украины, работающие в рамках европейского проекта TOLOP (TOwards LOw Power information and communication technologies), показала, что транзисторы, изготовленные по стандартной КМОП-технологии (CMOS), могут быть настолько маленькими, что они становятся способными работать в качестве кубитов. Т.е. они могут принимать одно из двух квантовых состояний или находиться в третьем состоянии - в состоянии квантовой суперпозиции.

Подходы, разработанные учеными, позволяют управлять, записывать и считывать квантовое состояние КМОП-кубита через затвор полевого транзистора. И это может существенно упростить все процессы, которые обеспечивают работу других кубитов, изготовленных из кремния.

Для того, чтобы получить КМОП-кубит, ученые создали полевые транзисторы, затвор которых окружает канал с трех сторон, формируя вокруг канала два прямых угла. Сам канал представляет собой удлиненный прямоугольный нанопроводник, уложенный горизонтально на кремниевое основание, а в центральной части этого нанопроводника как раз и расположена структура затвора, управляющего электрода транзистора.

КМОП-транзистор


Электрическое поле, возникающее вокруг канала транзистора, имеет самую сильную напряженность на гранях нанопроводника. Это и близость граней к структуре затвора позволяют электронам перемещаться между каналом и затвором за счет эффекта квантового туннелирования. Путь перемещения потока электронов, через одну или другую грань нанопроводника канала, определяет квантовое состояние транзистора-кубита, но не тяжело представить, что электроны при определенных условиях могут перемещаться и по двум путям сразу, что соответствует состоянию суперпозиции квантового бита.

Состояние квантовой суперпозиции транзистора-кубита может быть инициировано при помощи электрического импульса с определенными характеристиками, поданного на затвор, а длительность пребывания кубита в этом состоянии, как показали эксперименты, составляет порядка 100 пикосекунд. Затвор транзистора-кубита также используется для чтения квантового состояния, в котором он находится в данный момент. Для этого транзистор соединяется с колебательным LC-контуром, настроенным на частоту 350 МГц. Когда транзистор находится в одном из двух состояний или в состоянии суперпозиции это приводит к перераспределению электрической емкости квантовых точек на гранях нанопроводника, это, в свою очередь, изменяет резонансную частоту контура, что можно измерить достаточно простым методом.

Сейчас время, в течение которого транзистор-кубит может хранить в себе квантовую информацию, не превышает 100 пикосекунд, но в самом скором времени исследователи собираются увеличить это время до 1 наносекунды, чего уже будет вполне достаточно для выполнения базовых операций по обработке квантовой информации.

Кроме этого, при создании квантовых вычислительных систем потребуется обеспечить квантовую запутанность двух или большего числа кубитов между собой. Этого, в данном случае, можно легко добиться, разместив два транзистора очень близко друг к другу или на одном нанопроводнике, что обеспечит электростатическое сцепление между электронами в обоих транзисторах.

"Если вы произведете операцию над электронами в одном транзисторе, это затронет квантовое состояние второго транзистора и наоборот" - пишут исследователи, - "Такие взаимодействующие два кубита как раз и являются основой для создания целого набора элементов, необходимых для изготовления полноценного квантового компьютера".




Ключевые слова:
КМОП, CMOS, Кремний, Нанопроводник, Затвор, Канал, Транзистор, Квантовый, Бит, Компьютер, Туннелирование, Суперпозиция

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • "Нанопроводниковые" транзисторы с фотонным управлением - новый путь к реа ...
  • Электронный кубит, интегрированный в твердотельный ключ, превращает это уст ...
  • Квантовый скачок - ученые IBM заложили основу для практической реализации м ...
  • Новый тип графенового транзистора можно рассматривать в качестве кандидата ...
  • Создание одноатомного транзистора обещает скорый прорыв в области квантовых ...




  • 26 февраля 2016 08:15
    #1 Написал: beany85

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1018
    Я ждал чего-то подобного, всегда думал, что совсем не нужно громоздких конструкций охлажденных до криогенных температур. Чем проще - тем надежнее. Ждем квантовые компы!


    --------------------
        
    26 февраля 2016 09:29
    #2 Написал: Pulsar

    Публикаций: 0
    Комментариев: 303
    Интересно, на фото реальное изображение 3D транзистора или смоделированное?
        
    26 февраля 2016 10:34
    #3 Написал: Bond013

    Публикаций: 0
    Комментариев: 274
    Цитата: beany85
    Я ждал чего-то подобного, всегда думал, что совсем не нужно громоздких конструкций охлажденных до криогенных температур. Чем проще - тем надежнее.


    Проще как-раз охлаждённые... С точки зрения коррекции ошибок.
        
    26 февраля 2016 12:33
    #4 Написал: beany85

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1018
    Цитата: Bond013
    Проще как-раз охлаждённые...
    это сейчас, когда все эти квантовые технологии оттачиваются. Пройдет время, разрабам захочется внедрить квантовые вычисления в переносные устройства, вот тогда и будут востребованы нано-квантовые ячейки портативных вычислительных процессоров. А так, хорошо что не нужно спецсредств для изготовления кубитов - можно сразу приступить к тестированию.


    --------------------
        
    26 февраля 2016 15:08
    #5 Написал: Bond013

    Публикаций: 0
    Комментариев: 274
    Цитата: beany85
    квантовые вычисления в переносные устройства, вот тогда и будут востребованы нано-квантовые ячейки портативных вычислительных процессоров


    Думаю, путь развития пойдёт по технологии мейнфрейм в облачном виде. Т.е. портативное устройство будет содержать только дисплей (он-же устройство-ввода), а обработка и хранение инфы будет в "квантовом облаке". Возможно связь между портативным устройством и "квантовым облаком" будет юзать квантовую запутанность.
        
    26 февраля 2016 15:40
    #6 Написал: Джон

    Публикаций: 0
    Комментариев: 475
    Bond013 - А где будет находиться это облако?
        
    27 февраля 2016 16:10
    #7 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 502
    Джон, напрашивается ответ "Везде!"... Но на сегодняшний день это скорее из области мистических знаний, нежели научных.
        
    29 февраля 2016 09:33
    #8 Написал: bundzmm

    Публикаций: 0
    Комментариев: 489
    Bond013,
    Сам себе противоречишь, чтобы организовать квантовую запутанность, необходимо таки в портативном устройстве иметь квантовую единицу) Хотя-бы один электрон, запутанный с таким-же в этом самом облаке.

    Джон,
    на Плутоне, на пример, чтобы не охлаждать принудительно)))
        
    29 февраля 2016 10:40
    #9 Написал: Bond013

    Публикаций: 0
    Комментариев: 274
    Цитата: bundzmm
    Bond013,
    Сам себе противоречишь, чтобы организовать квантовую запутанность, необходимо таки в портативном устройстве иметь квантовую единицу) Хотя-бы один электрон, запутанный с таким-же в этом самом облаке.


    Разве?

    Цитата: Bond013
    Возможно связь между портативным устройством и "квантовым облаком" будет юзать квантовую запутанность.


    Возможно!!! Зачем запутывать електроны? Фотоны не устроят? Их ведь не надо "замораживать"))) Измерили себе спин или другой параметр и вуаля!


    Цитата: Джон
    Bond013 - А где будет находиться это облако?


    Хм.. Пофантазируем... Пусть умрут операторы мобильной связи и будут операторы квантовых вычислений и хранения инфы, а заодно и операторы связи wink
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.