Квантовый прорыв: фононы свяжут кубиты на расстоянии до 30 сантиметров

Исследователи разработали новый тип взаимосвязанной архитектуры для чипов квантовых вычислений, что может открыть путь к машинам, способным к крупномасштабной обработке данных, включая системы с более чем миллионом кубитов.

В исследовании, опубликованном 15 июня в журнале APL Quantum, учёные поставили цель решить серьёзную проблему ведущих квантовых процессоров (QPU): кубиты с трудом могут общаться и обмениваться квантовой информацией друг с другом, если они не являются непосредственными соседями.

Именно поэтому учёные разработали квантовые фононные связи (Quantum Phononic Links, QPLs) — подход для дальнего взаимодействия между кубитами, который опирается на фононы — квазичастицы, переносящие энергию колебаний — для передачи информации. Для сравнения, традиционные методы, такие как поверхностные акустические волны (высокочастотные звуковые колебания), требуют сложных конструкций и дополнительного оборудования.

«Одна из ключевых проблем квантовых вычислений — это дальняя связность кубитов, — сказал в заявлении Максим Миронов, доцент кафедры полупроводниковых материалов и устройств Уорикского университета в Великобритании и первый автор исследования. — Наша работа представляет новую концепцию, в которой фононы действуют как квантовая шина, позволяя удалённым кубитам обмениваться квантовой информацией, оставаясь полностью совместимыми с полупроводниковыми технологиями».

В исследовании учёные заявили, что наиболее перспективным способом создания квантового компьютера, способного к крупномасштабной обработке и использующего QPL, будет модальность кубитов, известная как «полупроводниковые кубиты на дырочном спине».

«Дырка» здесь означает отсутствие электрона в материале, но она может вести себя как частица и иметь спиновое состояние — свойство, используемое для кодирования квантовой информации, где 1 и 0 данных будут представлены направлением спинового состояния частицы.

Чтобы продемонстрировать эту технологию, они создали прототип QPU, состоящий из кремния с тонким слоем кристаллического германия — специализированного материала, который они назвали «сжато-напряжённый германий на кремнии» (cs-GoS). По словам учёных, германий является особенно полезным материалом для квантовых вычислений, поскольку обладает природными свойствами, снижающими декогеренцию — потерю квантовой информации из-за внешних помех.

Кубиты на дырочном спине сочетают длительное время квантовой когерентности — то, как долго они могут сохранять квантовую информацию — со способностью общаться с помощью электронных импульсов в системах управления. Однако они с трудом образуют связи и обмениваются квантовой информацией с кубитами, которые не являются их непосредственными соседями. По словам учёных, в любой крупномасштабной системе обеспечение этой «квантовой связи» между удалёнными кубитами необходимо для эффективной работы методов квантовой коррекции ошибок по всей ширине массивной системы.

Другие предлагаемые подходы к дальнєй коммуникации, такие как «шунтирование заряда» — перенаправление конденсаторов для снижения чувствительности к зарядовому шуму — или поверхностные акустические волны, имеют фундаментальные ограничения с точки зрения масштабируемости, как по размеру, так и по поддержанию когерентности. Здесь на помощь приходят QPL.

QPL — это инженерные фононные волноводы и резонаторы, которые одновременно ограничивают и направляют акустические моды внутри сжато-напряжённой германиевой «квантовой ямы», где квантовая яма представляет собой ультратонкий слой, действующий как направляющая.

В исследовании учёные сосредоточились на кубитах, использующих дырки валентной зоны — отсутствие электронов при абсолютном нуле — размещённых с помощью cs-GoS. С помощью QPL учёные посылали звукоподобные колебания через специализированный материал, чтобы переносить квантовую информацию между удалёнными кубитами.

Спиновые состояния в этом материале высокочувствительны к деформациям решётки, что позволяет точно контролировать и связывать спиновые состояния с энергией колебаний. По сути, это позволяет спиновому состоянию быть отличимым от его электронного аналога, что делает возможными стратегии фононной связи. Принятая ими техника позволила обеспечить прямую связь между фононами и дырками спинов.

Используя медленную волновую скорость (скорость квантовой частицы) и короткую длину волны для акустических возбуждений, учёные использовали QPL для связи кубитов, разделённых менее чем на микрометр (одна тысячная миллиметра), и тех, что находятся на расстоянии до 300 мм (11,8 дюйма) друг от друга.

QPL перспективны не только для квантовых вычислений, отметили учёные в исследовании. Используя фононы в качестве соединений, этот метод предлагает универсальный интерфейс для гибридных квантовых систем — обычных компьютеров с функциональностью квантовых вычислений. Это может обеспечить когерентное interconnection полупроводниковых спиновых кубитов с другими квантовыми платформами, такими как облачные квантовые вычисления.

Сочетание фононной инженерии и физики дырочного спина делает cs-GoS перспективной платформой для квантовых архитектур следующего поколения, добавили они, поскольку это может обеспечить как дальнюю когерентную связь, так и крупномасштабную интеграцию.

Дальнейшие шаги исследователей будут направлены на оптимизацию геометрии фононных волноводов и резонаторов для увеличения дальности связи и снижения потерь. Также планируется интеграция QPL с существующими технологиями производства полупроводников, что позволит создавать масштабируемые квантовые процессоры. Учёные отмечают, что коммерциализация технологии может занять от пяти до десяти лет, однако уже сейчас полученные результаты открывают новые горизонты для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим машинам. В перспективе такие системы найдут применение в криптографии, моделировании молекул для разработки лекарств и оптимизации сложных логистических цепочек.

Источники: Myronov, M., Yonjali, Y. K., Mnaymneh, K., & Studenikin, S. (2026). Quantum phononic links for on-chip long-range coupling of hole spin qubits in compressively strained germanium on silicon. APL Quantum, 3(2). https://doi.org/10.1063/5.0332643