Квантовые двойники: скачок кремния в аналоговом моделировании

Пока квантовые компьютеры продолжать медленно измельчать в сторону полезности, некоторые придерживаются другого подхода — аналогового квантовое моделирование. Этот путь не обеспечивает полного контроля над отдельными битами квантовой информации, известными как кубиты, — это не универсальный квантовый компьютер. Вместо этого квантовые симуляторы напрямую имитируют сложные, труднодоступные вещи, такие как отдельные молекулы, химические реакции или новые материалы. Недостаток гибкости аналоговому квантовому моделированию компенсируется невозможностью: квантовые симуляторы уже готовы.

«Вместо использования кубиты«Как это обычно бывает в квантовом компьютере, мы просто напрямую кодируем проблему в геометрии и структуре самого массива», — говорит Сэм Горманквантовый системная инженерия руководитель стартапа в Сиднее Кремниевые квантовые вычисления.

Вчера, Кремниевые квантовые вычисления представила свой продукт Quantum Twins — кремниевый квантовый симулятор, который теперь доступен клиентам по прямому контракту. Одновременно команда продемонстрировала, что их устройство, состоящее из 15 000 квантовые точкиможет моделировать часто изучаемый переход материала из изолятора в металл и все состояния между ними. Они опубликовано их работа на этой неделе в журнале Природа.

«Теперь мы можем делать то, что, по нашему мнению, не сможет сделать никто другой в мире», — говорит Горман.

Мощный процесс

Хотя анонс продукта состоялся вчера, команда Silicon Квантовые вычисления внедрила процесс производства Precision Atom Qubit после создания стартапа в 2017 году, основываясь на академической работе, которую основатель компании Мишель Симмонсруководил более 25 лет. В основе технологии лежит производственный процесс размещения отдельных атомов фосфора в кремнии с субнанометровой точностью.

«У нас есть 38-этапный процесс формирования структуры атомов фосфора в кремнии», — говорит Симмонс. Процесс начинается с кремниевой подложки, на которую наносится слой водород. Затем с помощью сканирующего туннельного микроскопа отдельные атомы водорода сбиваются с поверхности, обнажая кремний под ним. Затем на поверхность подается газообразный фосфин, который адсорбируется на поверхности только в тех местах, где кремний подвергается воздействию. Затем с помощью низкотемпературного термического отжига атом фосфора внедряется в кристалл кремния. Затем сверху выращиваются слои кремния.

“Это делается в сверхвысоком вакууме. Так что это очень чистая, очень чистая система”, – говорит Симмонс. “Это полностью монолитный чип, который мы производим с субнанометровой точностью. В 2014 году мы выяснили, как сделать в чипе маркеры, чтобы затем вернуться и найти, куда мы поместили атомы внутри устройства для создания контактов. Эти контакты затем создаются в том же масштабе длины, что и атомы и точки”.

Хотя команде удалось разместить отдельные атомы фосфора, они используют кластеры из 10–50 таких атомов, чтобы создать так называемый регистр для этих специализированных чипов. Эти регистры действуют как квантовые точкисохраняя квантовые свойства отдельных атомов. Регистры управляются напряжением на затворе, подаваемым на контакты, расположенные на вершине чипа, а взаимодействие между регистрами можно настроить, точно контролируя расстояния между ними.

Хотя компания также преследование Более традиционные квантовые вычисления, использующие эту технологию, они поняли, что у них уже есть возможность проводить полезные симуляции в аналоговой области, помещая тысячи регистров в один чип и измеряя глобальные свойства, не контролируя отдельные кубиты.

«Уникально то, что мы можем сделать это очень быстро», — говорит Симмонс. «Мы поставили 250 000 таких регистров [on a chip] через 8 часов, и мы сможем превратить дизайн чипа где-то через неделю».

Что моделировать

Еще в 2022 году команда Silicon Quantum Computing использовала предыдущую версию той же технологии для моделировать молекула полиацетилена. Химическое вещество состоит из атомов углерода с чередующимися одинарными и двойными связями, и, что особенно важно, его проводимость резко меняется в зависимости от того, разрезается ли цепь по одинарной или двойной связи. Чтобы точно смоделировать одинарные и двойные углеродные связи, команде пришлось контролировать расстояния своих регистров с точностью до субнанометра. Путем настройки напряжения затвора каждого квантовая точкаисследователи воспроизвели скачок проводимости.

Теперь они продемонстрировали технологию квантовых двойников для решения гораздо более серьезной проблемы — переход металл-изолятор из двумерный материал. Если для молекулы полиацетилена требовалось 10 регистров, то в новой модели использовалось 15 000. Модель металл-изолятор важна, поскольку в большинстве случаев ее невозможно смоделировать на классическом компьютере. В крайних случаях — в полностью металлической или полностью изолирующей фазе — физика может быть упрощена и сделана доступной для классических вычислений. Но в неясном промежуточном режиме играет роль полная квантовая сложность каждого электрона, и проблема классически неразрешима. “Это та часть, которая является сложной задачей для классических вычислений. Но на самом деле мы можем довольно легко перевести нашу систему в этот режим”, – говорит Горман.

Модель металлического изолятора стала подтверждением концепции. Теперь, по словам Гормана, команда может создать квантового двойника практически для любой двумерной задачи.

«Теперь, когда мы продемонстрировали, что устройство ведет себя так, как мы прогнозируем, мы рассматриваем серьезные проблемы или нерешенные проблемы», — говорит Горман. Команда планирует исследовать такие вещи, как нетрадиционные сверхпроводимостьистоки магнетизми интерфейсы материалов, такие как те, которые встречаются в батарейки.

Хотя первоначальные применения, скорее всего, будут в научной области, Симмонс надеется, что квантовые двойники в конечном итоге будут полезны для промышленных приложений, таких как открытие лекарств. “Если вы посмотрите на разные лекарства, то увидите, что они на самом деле очень похожи на полиацетилен. Это углеродные цепи и функциональные группы. Итак, понимание того, как его составить карту [onto our simulator] это уникальный вызов. Но это определенно та область, на которой мы собираемся сосредоточиться», — говорит она. «Мы воодушевлены потенциальными возможностями».