Квантовый компьютер способен потерять данные из-за магнитного шума, который создают отдельные атомы внутри процессора. Исследователи научились почти полностью удалять нежелательные изотопы из кремния и германия, а затем превращать очищенное сырьё в материалы, пригодные для производства квантовых чипов.
Специалисты Окриджской национальной лаборатории и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, работающих при Минэнерго США, получили кремний и германий с содержанием мешающих изотопов менее одной части на миллион. Новые материалы оказались более чем в 100 раз чище доступных коммерческих аналогов. Чистота кремния-28 достигла 99,9999%.
Природный кремний состоит преимущественно из кремния-28, но содержит небольшую долю кремния-29. В природном германии присутствует несколько изотопов, включая германий-73. Ядра кремния-29 и германия-73 обладают спином и ведут себя как крошечные магниты, рассеянные по материалу.
Магнитные колебания одного ядра слишком слабы, чтобы заметно повлиять на обычную электронику. Однако кубиты крайне чувствительны к окружающей среде. Совместный шум множества атомов нарушает квантовое состояние и ускоряет декогеренцию, при которой процессор теряет сохранённую информацию.
Учёные давно связывают изотопную очистку с увеличением времени когерентности. Исследование 2014 года показало, что спиновые кубиты из обогащённого кремния-28 сохраняют квантовое состояние значительно дольше устройств из природного кремния. Массовому применению мешала сложность производства материала требуемой чистоты, а американские лаборатории располагали ограниченными возможностями обогащения и зависели от зарубежных поставщиков.
Команда Окриджской лаборатории использовала усовершенствованное электромагнитное разделение изотопов. Метод сортирует атомы по массе и позволяет выделять сразу несколько изотопов за один производственный цикл. Технология восходит к электромагнитным сепараторам Манхэттенского проекта, но современное оборудование значительно превосходит установки времён «холодной войны».
Система почти полностью удалила кремний-29 и германий-73 из коммерческого исходного сырья. Концентрация нежелательных изотопов опустилась ниже одной части на миллион, после чего очищенные материалы передали специалистам Тихоокеанской северо-западной лаборатории.
Перед исследователями стояла не менее сложная задача: сохранить изотопную чистоту во время химической переработки. Даже небольшая примесь обычного кремния или германия могла снова повысить уровень атомного шума и свести преимущества обогащения к минимуму.
Лаборатория разработала установки для превращения очищенных элементов в силан и герман. Полупроводниковая промышленность использует два опасных газа для нанесения сверхтонких слоёв кремния и германия на чипы. Полученные прекурсоры подходят для изготовления перспективных квантовых устройств.
Исследователи также модернизировали метод термодиффузионного разделения, который позволяет напрямую обогащать силан и герман. Дополнительная стадия снижает риск изотопного разбавления во время традиционной химической обработки. Автоматизированная система непрерывно контролирует сотни рабочих параметров, поддерживая безопасность и высокую химическую чистоту на всех этапах производства.
Новая цепочка охватывает весь процесс от разделения изотопов до выпуска полупроводниковых газов. Совместная работа двух лабораторий создала в США внутренний источник материалов для квантовых исследований и будущего производства процессоров.
Проект также восстановил возможность, которую страна в значительной степени утратила после вывода из эксплуатации исторических калютронов в 1998 году. Калютроны представляли собой электромагнитные установки для разделения изотопов и применялись в США со времён Второй мировой войны.
Разработанные технологии подходят не только для кремния-28. Оборудование позволяет получать германий-70, германий-76 и иттербий-171, востребованные в нескольких архитектурах квантовых вычислительных систем.
Высокая чистота пока не решает всех проблем квантовых компьютеров. Исследователям предстоит доказать, что новые материалы стабильно улучшают работу коммерческих квантовых устройств. Переход к промышленным объёмам также потребует дополнительных инвестиций, упрощения производственной цепочки и дальнейшего снижения риска загрязнения.
Минэнерго США планирует увеличить выпуск очищенных изотопов и полупроводниковых прекурсоров. Рост поставок может укрепить американские цепочки производства квантового оборудования и обычных полупроводников.