Кроссбарный чип для бенчмаркинга спиновых кубитов в полупроводниках

Почему плотность размещения кубитов важна

Современные экспериментальные квантовые компьютеры используют лишь крошечную долю от миллионов квантовых битов, или кубитов, которые в конечном счёте понадобятся для полезных машин. Прежде чем инженеры смогут создавать такие крупные процессоры, им нужно понять, насколько надёжно можно производить и управлять кубитами по всей поверхности чипа, а не только в нескольких удачно расположенных точках. В этой статье представлен специализированный чип, служащий тестовой платформой для сотен полупроводниковых спиновых кубитов одновременно, что помогает исследователям оценить поведение этих хрупких элементов в экстремальных условиях, где работают квантовые компьютеры.

Ковёр из маленьких тестовых ячеек

Сердцем работы является тщательно спроектированный «кроссбарный» чип, сформированный в тонком слое германия на кремнии. Вместо того чтобы прокладывать отдельную проводку к каждому кубиту, авторы делят чип на маленькие повторяющиеся плитки, каждая из которых содержит двойную квантовую точку, используемую как кубит, и расположенный поблизости датчик заряда. Плитки организованы в сетку 23 на 23. Хитрая схема разделения управляющих линий — по духу похожая на адресацию строк и столбцов в компьютерной памяти — означает, что чип, потенциально вмещающий 1 058 отдельных спиновых кубитов, требует лишь 53 внешних соединений. Такое подлинейное (сублинейное) увеличение проводки с ростом числа кубитов жизненно важно, если будущие квантовые процессоры должны разместиться в тесных криогенных холодильниках.

Включение одиночных зарядов по одной плитке

Чтобы проверить, работает ли эта архитектура на практике, команда охлаждает чип до доли градуса выше абсолютного нуля и подаёт радиочастотные сигналы на общую линию датчика. Регулируя всего два напряжения на затворах, они могут выбрать одну плитку из плотного массива и наблюдать характерную картину пиков, подтверждающую, что фиксируется именно эта плитка, а не другие. В 38 из 40 протестированных плиток датчики заряда показывают ожидаемое поведение, демонстрируя надёжную адресуемость по всей сетке. На втором этапе исследователи настраивают одну квантовую точку в каждой плитке до режима, где она удерживает лишь несколько положительно заряженных дырок, и в большинстве плиток им удаётся достичь самой последней дырки — именно той рабочей точки, которая нужна для опытов со спин-кубитами.

Насколько однородны эти крошечные устройства?

С десятками точек, настроенных схожим образом, чип превращается в статистическую лабораторию. Команда измеряет, насколько сильно каждый затвор в плитке влияет на локальную квантовую точку, какое напряжение требуется для добавления каждой следующей дырки и как эти величины варьируются по площади. Они обнаруживают, что точки, ближайшие к определённым затворам, реагируют сильнее, как и задумано, а напряжения, необходимые для достижения первых нескольких дырок, различаются всего на несколько процентов по всему устройству. Это даёт конкретную цель по тому, насколько точно нужно согласовывать управляющие импульсы, если многие кубиты должны управляться параллельно. Они также исследуют повсеместный электрический «шум заряда», который колеблет энергетические уровни точек, отслеживая флуктуации как на датчике, так и на самом кубите. По всему массиву шум следует знакомому медленному спектру 1/f и варьируется более чем в десять раз от самых тихих до самых шумных плиток, однако средние уровни соответствуют ожиданиям для данного стека материалов.

Приближение к рабочим спин-кубитам

Чтобы показать, что платформа может размещать полностью функциональные кубиты, авторы изучают второй чип, где барьер между двумя точками внутри одной плитки работает как задумано. Там они реализуют два стандартных типа спин-кубитов: синглет–триплетный кубит, кодируемый в паре спинов, и два односпиновых кубита, управляемых электрически. Подавая импульсы на локальные затворы и применяя микроволновые сигналы, они наблюдают чёткие картины спиновых осцилляций и измеряют, как долго спины сохраняют свою квантовую фазу. Извлечённые времена когерентности — от нескольких до более чем десяти микросекунд — сопоставимы с лучшими ранее сообщёнными значениями для дырочных спинов в германии, подтверждая, что уплотнение множества плиток вместе не ухудшает фундаментально качество кубитов.

Что это значит для будущих квантовых чипов

Этот кроссбарный чип — не квантовый компьютер как таковой, а лаборатория высокого пропускного тестирования. Он позволяет исследователям бенчмарковать выход продукции, однородность устройств, шум заряда и когерентность кубитов по сотням почти идентичных ячеек в одном пробеге при охлаждении. Такой вид статистической обратной связи может направлять улучшения в материалах и технологическом процессе, и он естественно сочетается с автоматизированной настройкой и инструментами машинного обучения, которые потребуются для эксплуатации больших массивов. Авторы утверждают, что их платформа QARPET, или её вариации, адаптированные к другим полупроводниковым системам, могут помочь сократить разрыв между сегодняшними демонстрациями с несколькими кубитами и завтрашними промышленными спин-основными квантовыми процессорами.

Цитирование: Tosato, A., Elsayed, A., Poggiali, F. et al. A crossbar chip for benchmarking semiconductor spin qubits. Nat Electron 9, 324–333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01569-5

Ключевые слова: спиновые кубиты, квантовые точки, кроссбарные массивы, германиевые полупроводники, квантовый бенчмаркинг