Fujitsu представила революционный квантовый компьютер на базе алмазов

Японский технологический гигант Fujitsu сделал значительный шаг вперёд в сфере квантовых вычислений, представив первый в мире прототип функционирующего квантового компьютера, построенного на алмазных спинах. Эта инновационная разработка использует уникальные свойства олово-вакансионных (SnV) центров, интегрированных в фотонные интегральные схемы, открывая новые горизонты для создания более мощных и эффективных квантовых систем.

В отличие от традиционных сверхпроводниковых квантовых компьютеров, требующих экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю, новая разработка Fujitsu демонстрирует работоспособность при значительно более высокой температуре — -271,6 градуса по Цельсию. Это существенно упрощает эксплуатацию и снижает энергозатраты, приближая квантовые вычисления к практическому применению. Исследовательская команда Fujitsu утверждает, что использование света для соединения отдельных вычислительных модулей является ключевым фактором, который может привести к созданию компьютеров, значительно превосходящих современные возможности.

От атомарных дефектов к мощным вычислениям

Сердцем новой технологии являются особые дефекты в кристаллической решётке алмаза, известные как цветовые центры. Традиционно в алмазных спиновых системах использовались азотно-вакансионные (NV) центры, где атом азота занимает место углерода рядом с вакансией. Однако Fujitsu сосредоточилась на олово-вакансионных (SnV) центрах. Эти дефекты характеризуются наличием атома олова, расположенного между двумя вакансиями в алмазной структуре.

“Симметричная структура делает SnV-центры менее чувствительными к внешнему шуму, чем традиционные NV-центры. Кроме того, SnV-центры излучают свет примерно в 10 раз ярче, чем NV-центры. Это потенциально может улучшить оптические соединения между квантовыми модулями”, — пояснили представители Fujitsu.

Такая особенность SnV-центров даёт им значительные преимущества. Их устойчивость к внешним воздействиям означает меньшую вероятность потери квантовых состояний, что критически важно для стабильной работы кубитов. Более яркое излучение света облегчает оптическую связь между отдельными квантовыми модулями, что является ключевым для масштабирования системы. Кроме того, этот подход обещает более эффективную коррекцию ошибок. Специфические свойства SnV-центров позволяют формировать логические кубиты — основу квантовых вычислений — используя меньшее количество физических кубитов по сравнению с конкурирующими технологиями. Это означает, что для выполнения сложных квантовых алгоритмов потребуется меньше ресурсов, что ускоряет прогресс в разработке практических квантовых приложений.

Компания уже обозначила амбициозные планы развития. К 2027 году Fujitsu планирует представить многомодульный прототип алмазного спинового компьютера, а к 2030 году — сделать квантовые вычисления коммерчески доступными. Согласно их дорожной карте, к 2030 финансовому году будет разработана система на 250 логических кубитов, а к 2035 финансовому году — система, насчитывающая 1000 логических кубитов.

Интеграция алмазов в квантовый чип: инженерный шедевр

Создание такого сложного устройства потребовало передовых инженерных решений. Fujitsu разработала специальный процесс, который позволяет интегрировать высококачественные алмазные подложки с имплантированным оловом в подложки из оксида алюминия и диоксида кремния. Алмаз, который изначально имел толщину в несколько сотен микрометров, был тонко обработан до нескольких сотен нанометров, чтобы стать частью квантовых чипов.

“Подход с использованием алмазных спинов, который мы применили в этом прототипе, не только обеспечивает исключительную масштабируемость сам по себе, но и имеет потенциал для интеграции со сверхпроводниковыми квантовыми компьютерами с целью дальнейшего расширения их возможностей и выполнения более сложных и масштабных вычислений”, — отметил технический директор Fujitsu Вивек Махаджан.

Параллельно компания разработала фотонные интегральные схемы, которые эффективно соединяют алмазные кристаллы нанометрового размера с SnV-центрами и оптическими волноводами из оксида алюминия. Важным элементом системы является разработанный механизм управления алмазными спиновыми кубитами с помощью света, микроволн и радиочастотных волн. Это позволяет точно контролировать состояние кубитов, необходимое для выполнения сложных квантовых алгоритмов.

Это достижение стало результатом длительного сотрудничества между Fujitsu, Делфтским техническим университетом и QuTech, которое началось в 2020 году. Кес Эйкел, генеральный директор QuTech, подчеркнул значимость этого прототипа как результата совместных исследований.

Новая технология может найти применение в решении задач, недоступных современным суперкомпьютерам, в частности в разработке новых лекарств, материалов, оптимизации сложных логистических цепочек и криптографии. Fujitsu также стремится сделать квантовые вычисления доступными для более широкого круга пользователей, интегрировав разработку в платформу гибридных квантовых вычислений, которая не требует от пользователей глубоких специальных знаний для работы с оборудованием. Этот шаг свидетельствует о стремлении компании сделать квантовые технологии более практичными и доступными.