Глава 1143. Образец квантового чипа •
Институт материаловедения Чуаньхай. На лифте Сюй Чуань и Фань Пэнъюэ вместе спустились на пятый подземный уровень лаборатории.
Здесь находится база исследований квантовых чипов, это самый нижний уровень лаборатории, глубина которого достигает примерно двадцати пяти метров под землей.
Дело не в том, что лабораторий на поверхности нет, а в том, что исследования квантовых чипов связаны с требованиями к увеличению времени когерентности квантовых битов.
В конце концов, с нынешними технологиями внешние помехи слишком легко возникают при создании квантовых чипов для квантовых компьютеров.
Поэтому исследовательские институты, занимающиеся квантовыми чипами, обычно размещают лаборатории под землей или в специальных средах, защищающих от радиационного воздействия.
В просторной и светлой подземной лаборатории Сюй Чуань встретил главного конструктора проекта квантового чипа, выдающегося технического специалиста из Китайской академии наук, которого переманили в Институт материаловедения Чуаньхай, — старшего научного сотрудника Гэн Цзинлуна.
— Профессор Гэн.
Увидев перед собой мужчину средних лет в очках и белом халате, Сюй Чуань улыбнулся и поздоровался. Они встречались не впервые, он видел его еще когда переманивали для руководства разработкой квантового чипа.
— Академик Сюй, вы пришли.
Увидев Сюй Чуаня, Гэн Цзинлун с радостью поприветствовал его.
— Ну, я слышал, что ваша команда добилась значительного прорыва в исследованиях квантовых чипов. Можете рассказать о ситуации? — с улыбкой спросил Сюй Чуань.
— Конечно, пожалуйста, пройдите со мной.
Гэн Цзинлун с энтузиазмом кивнул и повел Сюй Чуаня к другой стороне лаборатории.
На другом конце лаборатории находилось разнообразное оборудование: установки для осаждения, установки с фокусированным ионным пучком, сканирующие зондовые микроскопы, приборы для измерения магнитосопротивления при высоких и низких температурах, а также установки для лиофилизации in situ и другое стандартное лабораторное оборудование.
Кроме того, в лаборатории была установлена специальная наноткацкая машина.
Именно на этой специальной наноткацкой машине Институт материаловедения Чуаньхай производит свои квантовые чипы!
Из небольшого отсека под этой специальной наноткацкой машиной Гэн Цзинлун достал квадратный квантовый чип и, словно драгоценный камень, поднес его к Сюй Чуаню.
— Академик Сюй, это образец, созданный с использованием технологии послойного плетения, первый экспериментальный продукт.
— Основываясь на вашей объединенной теоретической рамке сильных корреляций и теории топологической сверхпроводимости, после многочисленных попыток мы наконец нашли материал, наиболее подходящий для создания «майорановских нулевых мод» и плетения их в топологические кубиты!
Глядя на чип в своей руке, Гэн Цзинлун излучал гордость.
На данный момент существует четыре основных направления развития квантовых компьютеров: сверхпроводящие квантовые вычисления, фотонные квантовые вычисления, ионные ловушки и топологические квантовые вычисления.
Сверхпроводящие квантовые вычисления и фотонные квантовые вычисления — наиболее распространенные и зрелые из четырех направлений.
Первое использует макроскопические квантовые состояния в сверхпроводящих цепях в качестве кубитов, обладает высокой программируемостью и универсальностью и является наиболее близким к практическому применению путем.
Например, их третье поколение сверхпроводящего квантового компьютера «Бэньюань Укун» оснащено 72-битным сверхпроводящим квантовым чипом «Укун Синь» и «Цзючжан Квантовый Компьютер», а исследовательская группа Google Quantum AI успешно разработала новое поколение сверхпроводящих квантовых вычислительных чипов «Людзин» — все они следуют путем сверхпроводящих квантовых вычислений.
Фотонные квантовые вычисления — это передовая технология, использующая фотоны в качестве носителей кубитов и реализующая квантовую обработку информации посредством интеграции фотонных цепей.
В основном состоит из высокочистых источников одиночных фотонов, сверхнизкопотеристых линий одиночных фотонов и детекторов одиночных фотонов.
Хотя прогресс в этой области значительно отстает от технологии сверхпроводящих квантовых компьютеров, благодаря слабому взаимодействию между фотонами, длительному времени декогеренции и простоте управления, у нее широкие перспективы.
Что еще более важно, в отличие от других квантовых компьютеров, таких как сверхпроводящие квантовые компьютеры, которые должны работать в экстремально низких температурах, фотонные квантовые компьютеры могут работать в условиях, близких к комнатной температуре, что является большим преимуществом.
Однако как сверхпроводящие квантовые компьютеры, так и фотонные квантовые компьютеры не могут избежать проблемы декогеренции кубитов.
Действительно решить эту проблему могут только два других относительно «нетрадиционных» направления: квантовые компьютеры на ионных ловушках и топологические квантовые компьютеры.
Но по сравнению с первыми двумя, последние также имеют свои недостатки и более сложны в решении.
Квантовые компьютеры на ионных ловушках используют электромагнитные поля для захвата ионов для реализации кубитов, обладают потенциалом высокоточного управления, но ограничены в масштабируемости.
Ограниченная масштабируемость означает, что количество кубитов ограничено, что является самым фатальным недостатком для компьютеров, требующих вычислительной мощности.
Топологический квантовый компьютер основан на теоретической схеме, основанной на теории топологических состояний вещества.
Да, до тех пор, пока Сюй Чуань не завершил теорию топологических сверхпроводящих систем в рамках своей объединенной теоретической рамки для сильно коррелированных электронных систем, или, другими словами, даже сейчас, кроме него, никто в мире не обладает полной теорией.
Поскольку эта теория, касающаяся построения топологического квантового компьютера, была завершена пять лет назад, она до сих пор не была официально опубликована.
Поэтому, несмотря на то, что теоретически топологический квантовый компьютер обладает высокой устойчивостью к шуму, техническая сложность его реализации является самой высокой, поскольку теория еще не «решена».
Однако для Института материаловедения Чуаньхай, имея теоретическую основу, разработанную Сюй Чуанем, топологический квантовый компьютер является наиболее подходящим и перспективным путем.
Но даже при этом, с момента утверждения проекта по разработке квантового компьютера прошло целых пять лет, прежде чем они, наконец, нашли подходящий материал и завершили разработку квантового чипа.
Приняв этот «толстый» квантовый чип из рук другой стороны, Сюй Чуань внимательно его осмотрел.
По сравнению с традиционными кремниевыми и углеродными чипами, его действительно можно назвать «толстым». Он имеет квадратную форму с длиной стороны около пяти сантиметров и толщину, по оценкам, около одного сантиметра.
Внешний вид представляет собой переплетение золотисто-красного и серебристо-белого цветов, а наиболее привлекательной особенностью является интерфейс в центре квантового чипа, который выглядит как традиционный USB-интерфейс, но Сюй Чуань знает, что типы этих двух интерфейсов определенно разные.
Осматривая квантовый чип в своей руке, Сюй Чуань спросил: «Какой материал используется для построения майорановских нулевых мод?»
Услышав этот ответ, Сюй Чуань слегка приподнял глаза и с интересом посмотрел на Гэн Цзинлуна, сказав: «Используется полупроводниково-сверхпроводящая гетероструктура?»
Гэн Цзинлун кивнул и широко улыбнулся: «Да!»
«Гетероинтерфейс полупроводника играет жизненно важную роль в характеристиках этого материала. Когда полупроводник мышьяка и индия контактирует с сверхпроводящим материалом при комнатной температуре, изгиб энергетических зон на интерфейсе значительно влияет на свойства контакта (сопротивления).»
«Его барьер Шоттки приводит к различной плотности заряда и распределению электрического поля, контролируя электрические свойства всего устройства и его реакцию на внешнее управление.»
«Именно поэтому он может реализовать майорановские нулевые моды и топологические квантовые вычисления.»
Сюй Чуань кивнул и спросил: «Как вы решили проблему контроля энергетических зон и контакта на мезоскопическом уровне?»
Он всегда следил за прогрессом в исследованиях и разработке квантовых компьютеров и квантовых чипов и глубоко разбирался в этой области.
Полупроводниково-сверхпроводящая гетероструктура является одним из типов квантовых чипов, классифицируемых как топологические квантовые компьютеры. С точки зрения физики или физики конденсированного состояния, в этом сверхпроводящем-полупроводниковом гетеропереходе, связь волновых функций двух материалов также зависит от свойств энергетических зон на интерфейсе.
Потому что он определяет степень гибридизации волновых функций и общую производительность после гибридизации, например, размер сверхпроводящего энергетического зазора, эффективный фактор Ланде g и силу спин-орбитального взаимодействия.
Но в этой области есть большая проблема, а именно отсутствие систематических экспериментальных исследований.
Причина проста: во-первых, теория топологической сверхпроводимости еще не построена.
А другая проблема заключается в невозможности контроля энергетических зон и контакта на мезоскопическом уровне.
В конце концов, для реализации стабильных майорановских нулевых мод и топологических квантовых вычислений требуется очень высокое качество устройства, а оптимизация производственного процесса устройства очень важна, особенно контроль сверхпроводящего-полупроводникового интерфейса.
Первые сложные квантовые устройства, обнаружившие следы майорановских нулевых мод, были изготовлены с использованием неин-ситу процессов (можно назвать первым поколением).
Они сначала удаляли оксидный слой с помощью травления, а затем осаждали металл. Однако этот метод часто приводил к небольшому и мягкому индуцированному сверхпроводящему зазору, который легко приводил к отравлению квазичастицами, влияя на топологическую защиту и обнаружение майорановских нулевых мод.
Впоследствии, чтобы индуцировать лучший сверхпроводящий зазор, было разработано второе поколение процессов, включая молекулярно-лучевую эпитаксию и технологию «shadow wall» в сочетании с очисткой водородом.
Однако ни один из них не был полностью совместим с микролитографией, что ограничивало гибкость.
Поэтому для разработки сложных квантовых устройств, обнаруживающих следы майорановских нулевых мод, необходимо разработать универсальный метод, совместимый с микролитографией.
То есть, необходимо добиться высококачественного гетероинтерфейса с атомной связью и регулировки изгиба энергетических зон, а также достаточной гибкости или возможности массового промышленного производства.
Услышав этот вопрос, Гэн Цзинлун улыбнулся и сказал: «Эта проблема была решена совместно с исследователем Чжао Цзяньхуа и исследователем Пань Дуном из Института полупроводников Китайской академии наук».
Сделав небольшую паузу, он продолжил: «Мы сначала измерили полную топологическую диаграмму и увидели признаки, которые могут быть связаны с симметрией частица-дырка майорановских нулевых мод».
«Затем мы встроили «остров Майораны» в сверхпроводящее интерференционное кольцо, используя сверхпроводящий ток для считывания информации о четности, построив топологический кубит, и на основе этого построили систему взаимосвязи устройств с помощью суперкомпьютера, используя «травление аргоном» для обеспечения точности».
Услышав это, Сюй Чуань кивнул с задумчивым видом.
Исследовательский подход Института материалов Чуаньхай, или, скорее, в целом в области научных исследований в Китае, в определенной степени находился под его влиянием.
Особенно в области материаловедения, ранее исследования и разработки материалов в Китае в основном полагались на «метод проб и ошибок», основанный на опыте и экспериментах.
Хотя этот метод был трудоемким и неэффективным, он помог ученым накопить большой объем фундаментальных данных о свойствах и поведении материалов.
Кроме того, существовали узкие места, такие как низкая эффективность исследований и высокие затраты, что затрудняло удовлетворение потребностей высокотехнологичных и передовых технологий в итеративном развитии новых материалов.
Однако нельзя отрицать, что зависимость от экспериментальных проб и ошибок при первоначальном исследовании недостаточно изученных материальных систем и быстрая проверка экспериментальных гипотез по-прежнему является наиболее часто используемым методом.
Однако его собственный подход к исследованию материалов сильно отличался от традиционного.
Не говоря уже о технологии искусственной SEI-пленки, будь то углеродные наноматериалы или сверхпроводящие материалы, он сначала совершенствовал теорию, а затем использовал вычислительную материаловедение, например, управляемые данными и высокопроизводительные вычисления, чтобы теоретически сузить направление исследований, а затем проводил эксперименты для проверки ошибок.
Этот подход может значительно повысить эффективность открытия материалов, снизить экспериментальные и затраты на разработку, особенно подходит для исследований сложных материальных систем.
Конечно, есть и недостатки, а именно необходимость в большом количестве вычислительных ресурсов и высококачественных данных, точность моделей зависит от качества входных данных.
Однако он начал готовиться к этому очень давно, и вычислительная модель химических материалов Института материалов Чуаньхай за почти десять лет развития превратилась в огромный архив данных.
Этот научный подход, вместе с его репутацией и успехами в разработке сверхпроводящих материалов, углеродных наноматериалов и других передовых продуктов, повлиял на многие научные учреждения в Китае.
Сюй Чуань считал, что это действительно хорошая вещь.
Потому что традиционный метод исследования, основанный на удаче и пробных ошибках, действительно устарел.
В конце концов, с развитием науки и техники система научных исследований становится все более сложной, традиционные методы аналитического вывода становятся неприменимыми и даже бессильными.
Вычислительная материаловедение является мостом между теоретическими и экспериментальными исследованиями в области материаловедения, предоставляя новые пути для теоретических исследований и выводя экспериментальные исследования на новый уровень.
Переход от систем с низкой степенью свободы к многомерным системам, от скалярных систем к векторным и тензорным системам, а также от линейных систем к нелинейным системам лишили аналитические методы их прежней силы.
Поэтому использование компьютеров для вычислений и моделирования стало единственно возможным путем. Сложность является неизбежным результатом научного прогресса, а возникновение и развитие вычислительной материаловедения являются неизбежной тенденцией.
Его успешное решение некоторых важных научных проблем в полной мере демонстрирует важную роль и практическое значение вычислительной материаловедения.
Просто взглянув на этот квантовый чип в своих руках, Сюй Чуань посмотрел на Гэн Цзинлуна, ответственного за проект разработки квантового чипа, и задал самый важный вопрос.
«Сколько кубитов (Qubit) может содержать этот квантовый чип?»