Исследователи разработали новый сверхпроводник на основе германия — материала, который уже широко используется в индустрии вычислительной техники, что потенциально открывает значительный прогресс в технологии квантовых компьютеров. Это прорыв решает важнейшую проблему в квантовых вычислениях: необходимость материалов, которые одновременно обладают сверхпроводимостью и могут быть бесшовно интегрированы в существующие процессы производства чипов.
Что такое сверхпроводимость и почему это важно?
Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество с нулевым сопротивлением. Это свойство чрезвычайно ценно для любого электрического устройства, поскольку оно исключает потери энергии из-за тепла. Особенно важно для квантовых вычислений, сверхпроводники также поддерживают квантовую когерентность — явление, необходимое для манипулирования и хранения квантовой информации.
Проблема интеграции сверхпроводников в вычислительную технику
Предыдущие сверхпроводники, хотя и эффективны, часто изготавливались из необычных и труднообрабатываемых материалов. Это создавало значительный барьер для их включения в практические вычислительные устройства, особенно квантовые компьютеры, которые требуют сложной схемы.
Новый подход: германий, легированный галлием
Питер Джейкобсон из Университета Квинсленд (Австралия) и его команда создали германиевый сверхпроводник, вводя галлий в материал посредством процесса, называемого легированием. В отличие от предыдущих попыток использования подобных комбинаций, которые оказались нестабильными, команда Джейкобсона использовала рентгеновское облучение, чтобы принудить к более равномерному распределению галлия в германиевой плёнке. Это привело к образованию стабильных, структурированных форм.
Требования к сверхнизким температурам и ландшафт квантовых вычислений
Важно отметить, что этот новый сверхпроводник, как и существующие, не работает при комнатной температуре. Для функционирования ему требуются экстремально низкие температуры — а именно, 3,5 кельвина (-270°C/-453°F). Хотя это исключает его использование в обычных потребительских устройствах, Дэвид Кардвелл из Кембриджского университета предполагает, что он является идеальным решением для квантовых вычислений, которые уже требуют сверхнизких температур.
«Это может произвести революцию в квантовых технологиях, — говорит Кардвелл. — Это даёт совершенно новый уровень функциональности, потому что у вас уже есть очень холодная среда. Это было бы, я думаю, очевидной отправной точкой».
Преодоление проблемы дефектов кристаллической структуры
Предыдущие попытки объединения сверхпроводников с полупроводниками (ключевыми компонентами вычислительных устройств) приводили к дефектам в кристаллической структуре — серьёзным препятствиям для практического применения. Эти дефекты приводят к поглощению сигнала и мешают точным квантовым операциям.
«Неупорядоченность действительно является паразитическим эффектом в квантовых технологиях, — объясняет Джейкобсон. — Она вызывает поглощение ваших сигналов».
Равномерная кристаллическая структура для повышенной функциональности
Новый сверхпроводник, легированный галлием, решает эту проблему, позволяя слоям этого материала и слоям кремния (другого распространённого полупроводника) располагаться непосредственно друг над другом без нарушения кристаллической структуры. Это открывает путь к производству интегрированных чипов, которые используют уникальные преимущества как полупроводников, так и сверхпроводников. Эти объединённые чипы потенциально могут значительно улучшить эффективность и надёжность квантовых компьютеров.
В заключение, создание стабильного, легко изготавливаемого германиевого сверхпроводника представляет собой значительный шаг вперёд для квантовых вычислений. Решая проблемы, связанные с интеграцией материалов и дефектами кристаллической структуры, это инновация открывает возможности для более мощных и надёжных квантовых технологий.
