Топопроводники в квантовые процессоры?

Новый вид материи? Давайте разберёмся!

Ó Изображение сгенерировано нейросетью Шедеврум

Применительно к материалам, в том числе полупроводниковым, термин «топологический» означает «поверхностный». Есть такой тип материалов, которые называются топологическими изоляторами. Это такие материалы, которые не проводят электрический ток в объеме образца, если не добавить специальные примеси, но проводят ток по поверхности, поскольку атомы на поверхности связаны друг с другом по-иному, нежели в объеме. Чтобы наблюдать топологические состояния поверхности материала необходимо защитить её от окисления атмосферой. В качестве примера, можно привести тонкий слой теллурида ртути между слоями теллурида кадмия. Более простой пример, не связанный с электропроводимостью – свойства водяного льда, который имеет скользкую поверхность не потому, что плавится под коньками, но потому что молекулы воды на поверхности льда соединяются между собой не так, как в объёме.

Проводимость твердого тела всегда определяется электронами, и гораздо реже – ионами. В зависимости от температуры и энергетической структуры на поверхности топологического материала существует двумерный электронный газ из отдельных электронов, электронных (куперовских) пар, электронно-дырочных пар (экситонов) или электронно-дырочной «жидкости», поэтому можно действительно сказать, что это особое состояние материи. Однако это всё те же электроны, хоть и в определенных условиях проявляющие коллективные квантовые свойства. 

Такое состояние материи можно исследовать по косвенным проявлениям – особенностям протекания тока, свечению определенным цветом малых областей поверхности и др. Наше сознание может представить себе такие состояния. Например, мы представляем себе электрон в виде некоего шарика, не вспоминая про корпускулярно-волновой дуализм. Однако коллективные взаимодействия таких шариков весьма странные. Например, электрон-шарик может взаимодействовать с его отсутствием («дыркой» на языке физики полупроводников), при этом такой экситон достаточно устойчив несмотря на то, что электрон и дырку могут разделять десятки атомов и сотни других электронов, и в протекании тока экситон не участвует. Или, например, при очень низких температурах два электрона могут образовать куперовскую пару – два электрона, которые вдруг перестали отталкиваться и начали двигаться под действием приложенного электрического напряжения, не испытывая сопротивления (эффект сверхпроводимости). Или экситоны могут начать вдруг слипаться в капли электронно-дырочной жидкости, образуя что-то вроде капель тумана из водяных паров. Такая электронно-дырочная жидкость может существовать в тонком приповерхностном слое, участвовать в протекании тока и быть устойчивой при комнатной температуре в таких материалах как теллурид или селенид молибдена, алмаз.

В феврале этого года исследователи из Microsoft в журнале Nature¹ сообщили, что создали прототип квантового процессора Majorana 1 на топологическом сверхпроводнике, в основе которого лежат слои из полупроводника арсенида индия и металла алюминия. Авторы измерили поведение квантовой емкости такой структуры во времени и заключили, что наблюдали проявление майорановских фермионов – квазичастиц, подобных экситонам, куперовским парам и т.п. Не позволяйте сбить себя с толку, помня, что все электрические явления в полупроводниках и металлах – это проявления электронов! Собственно, существование майорановских фермионов в кубитах процессора Majorana 1 пока не доказано, но с учётом энтузиазма авторов статьи и, что более важно, положительной рецензии журнала Nature, повод для осторожного оптимизма всё-таки есть.

Здесь необходимо дать пояснение, что такое кубиты и каковы варианты их физической реализации. Кубит – это квантовый бит, вычислительный элемент квантового процессора. В общем смысле, кубитом может являться любая двухуровневая квантовая система. Но один кубит не интересен. Необходимо выполнять многокубитные операции из тысяч и даже миллионов кубитов, чтобы в квантовом компьютере была практическая польза. Для этого кубиты должны быть квантово перепутаны, т.е. их волновые функции должны пересекаться. Кубиты должны проявлять устойчивое взаимодействие между собой, но при этом необходимо обеспечить их индивидуальную адресацию (управление каждым кубитом в отдельности).

В настоящее время квантовые процессоры реализованы на так называемых джозефсоновских сверхпроводниковых контактах. Они выполнены по интегральной полупроводниковой технологии, аналогично той, которую используют при создании процессоров для видеокарт. Такие кубиты очень чувствительны к любым внешним электромагнитным помехам, вибрациям, колебаниям температуры и требуют охлаждения практически до абсолютного нуля. Но главная проблема в том, что кубиты, выполненные по интегральной технологии, не одинаковые: в них немного разное количество атомов, у них не идеальная форма. Это приводит к ошибкам в работе квантового процессора. 

По этой причине ведутся исследования и разработки по созданию кубитов из отдельных атомов. Это могут быть атомы или ионы цезия или рубидия в вакуумных магнитооптических или электрических ловушках. Это могут быть центры окраски в алмазе или карбиде кремния, не требующие при этом охлаждения до сверхнизких температур. Для одноатомных кубитов также существует проблема электромагнитных помех. 

Другой подход – использовать элементарные частицы или квазичастицы в твердом теле, которые практически не взаимодействуют с электромагнитным полем. Они не подвержены влиянию помех, но они плохо взаимодействуют друг с другом. Яркий пример – кубиты на основе разной поляризации фотонов. Такие кубиты очень устойчивы к помехам, но взаимодействуют между собой лишь в интенсивных лазерных пучках, что затрудняет индивидуальную адресацию. 

Майорановские фермионы, а также практически синонимы – квазичастицы Боголюбова, не-Абелевские энионы, состояния Шокли на концах сверхпроводников и др. (– Каждый академик должен быть отцом своей квазичастицы!, - шутят рядовые физики) – квазичастицы в сверхпроводящей нанопроволоке при температуре менее 1 К (вспоминаем «топопроводник» алюминий), которые являются весьма перспективными кандидатами в топологические кубиты, которые не подвержены влиянию помех и обладают большим временем квантовой декогеренции, поскольку плохо взаимодействуют с электромагнитным полем.

Однако существование майорановских фермионов всё ещё не считается доказанным. Авторы упомянутой статьи в Nature предполагают разработку полноценного компактного квантового процессора на базе Majorana 1 в течение нескольких лет. Такой процессор будет работать при температуре близкой к абсолютному нулю, но не будет требовать огромного машинного зала, исключающего вибрации, электрические помехи, дуновения ветра. В то же время скромный оптимизм по результатам данных исследований приводит к необходимости смелых маркетинговых ходов и бурного освещения в средствах массовой информации с легким ореолом таинственности.

Но что же случится, если квантовые компьютеры станут доступными как персональные компьютеры? Как когда-то компьютеры перестали требовать 100 квадратных метров площади, 25 человек обслуживающего персонала, 30 литров спирта ежемесячно², и вошли в каждый дом?

Современные процессоры приблизились к своему фундаментальному пределу миниатюризации. Начиная с 70х годов прошлого века, на протяжении 45 лет размер затвора интегрального полевого транзистора – элемента микросхемы – уменьшился в 1000 раз от 10 мкм до 10 нм. Это позволило процессорам нарастить вычислительную мощность, приблизившись к уровню мозга мыши.

Начиная с 2020х годов передовые процессоры выпускаются по техпроцессу в несколько единиц нанометров. При этом выяснилось, что даже если сделать транзистор толщиной в один атом кремния, то его другие размеры не могут быть меньше 5 нанометров, потому что иначе электроны начинают туннелироваться через непроводящие барьеры, проявляя чисто квантовые свойства. Таким образом, при проектировании современных процессоров уже нельзя не учитывать квантовые явления. Фактически все процессоры уже квантовые, хотя и используют двоичную логику вычислений. 

Однако, для того чтобы вычислительная мощность процессоров превзошла уровень человеческого мозга, для успешного функционирования «сильного» искусственного интеллекта, необходимы принципиально другие решения. Одним из таких решений являются квантовые процессоры, использующие «вероятностные» вычисления и «квантовый параллелизм». 

Широкое распространение «персональных» квантовых компьютеров изменит методы шифрования данных на более защищенные, т.к. применяемые сейчас алгоритмы шифрования будут легко взламываться. Станет возможным быстро моделировать сложные химические соединения, например, для изготовления индивидуальных лекарств и создания новых материалов, проводить вычисления долгосрочных прогнозов погоды и предсказаний изменения климата, решать сложные логистические задачи, включая военные. Но до этой благословенной эпохи у нас есть ещё какое-то время. Кроме того, квантовые компьютеры не смогут заменить полностью обычные компьютеры, хотя бы потому, что последние управляют работой первых.

[1] Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices // Nature, 638, pp. 651-655, 2025, DOI: 10.1038/s41586-024-08445-2

[2] Часть цитаты, приписываемой заместителю министра радиопромышленности СССР Николаю Васильевичу Горшкову, 1980 г.