11.04.2018

Альтернативная конструкция сверхпроводникового кубита

Коллаборации учёных из Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС» (Россия), Колледжа Ройял-Холлоуэй Университета Лондона (Royal Holloway University of London) и Национальной физической лаборатории (National Physical Laboratory) в Теддингтоне (Великобритания), Технологического института Карлсруэ (нем. Karlsruher Institut fur Technologie, KIT) и Института фотонных технологий (нем. Leibniz-Institut fur Photonische Technologien) (Германия), а также МФТИ и Сколтеха (Россия) удалось создать принципиально новый кубит, основанный не на джозефсоновском переходе, представляющем собой разрыв в сверхпроводнике, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке. Работа с описанием конструкции опубликована в Nature Physics.

У квантового компьютера — большое будущее. Принцип вычислений, заложенный в его основу, уже сейчас позволяет решать некоторые сверхсложные задачи. Универсальный квантовый компьютер пока не создан, но исследователи уже могут при помощи кубитов моделировать химические соединения и материалы.

Множество научных групп работают над элементами квантового компьютера. Особенно напряжённо идёт работа над изучением и улучшением основной вычислительной ячейки кантового компьютера — кубита.

Есть несколько подходов к созданию кубитов. Например, созданы кубиты, работающие в оптическом диапазоне. Но их сложно масштабировать, в отличие от кубитов на сверхпроводниках, работающих в радиодиапазоне и основанных на так называемых джозефсоновских переходах. Каждый такой переход представляет собой разрыв сверхпроводника, а, точнее, слой диэлектрика, через который туннелируют электроны.

Новый же кубит основан на эффекте квантового проскальзывания фазы — контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Впервые этот предсказанный в теории эффект наблюдал экспериментально руководитель данной работы Олег Астафьев, сейчас он заведует лабораторией «Искусственных квантовых систем» МФТИ в России и является профессором Университета Лондона и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне в Великобритании. Его пионерская работа была опубликована в журнале Nature в 2012 году.

Как рассказал один из авторов новой работы Алексей Устинов (в России руководит группой РКЦ и заведует лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС, в Германии является профессором Технологического института Карлсруэ), сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр», сверхчувствительный магнитометр, основанный на джозефсоновских переходах). Только вместо магнитного поля интерференция в новом устройстве вызывается электрическим полем, меняющем электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. Эти проволочки играют в устройстве роль джозефсоновских переходов, при этом они не требуют создания разрывов и могут быть изготовлены из одного слоя сверхпроводника. Как отметил Алексей Устинов, в данной работе удалось показать, что данная система может работать как зарядовый интерферометр.

«Если проволочку разбить на два участка, сделать в центре утолщение, то, меняя затвором заряд на этом утолщении, можно, фактически, делать периодическую модуляцию процесса квантового туннелирования магнитных квантов через проволоку, что и наблюдается в этой работе».

Это ключевой момент, доказывающий, что эффект управляемый и когерентный и что его можно применить для создания кубитов нового поколения.

СКВИД-технологии нашли своё применение в ряде медицинских сканирующих аппаратов — магнитокардиографах и магнитоэнцефалографах, в приборах, улавливающих ядерный магнитный резонанс, а также в геофизических и палеогеологических методах разведки горных пород. Поэтому возможно, что дуальные им зарядовые СКВИДы могут вызвать серьёзные изменения не только в мире квантовых компьютеров.

По словам профессора Устинова, перед учёными стоит ещё много фундаментальных задач, связанных с изучением работы нового кубита. Однако уже сейчас понятно, что речь идёт о кубитах, обладающих не меньшей (а, может, и большей) функциональностью, но гораздо более простых в изготовлении.

«Сейчас главная интрига в том, можно ли построить на этом принципе весь набор элементов сверхпроводящей электроники, — отметил профессор Устинов. — Полученное нами устройство, в принципе, является электрометром и измеряет заряд, наведённый на островке сверхпроводника, с погрешностью в тысячи раз меньше заряда электрона. Мы можем его контролировать с высочайшей точностью, так как это заряд не квантованный, а наведённый».

Профессор Устинов продолжает:

«Сейчас мы изучаем кубиты на принципе проскальзывания фазы в моей группе в Карлсруэ, и времена когерентности, которые мы на них получаем, оказываются на удивление высокими. Пока они не сильно больше, чем в обычных кубитах, но мы только начали работать, и есть шанс, что они будут большими. Например, есть ещё важная тема дефектов в кубитах — по ней мы недавно получили грант от Google — эти дефекты возникают в диэлектрике, в туннельном барьере джозефсоновского перехода. Дефекты возбуждаются за счёт того, что в этой зоне большие электрические поля, фактически всё напряжение падает на масштабе 2 нм. Если же мы представим, что такое же падение происходит в однородной проволочке, причём, неизвестно где, в однородном „размытии“ по всему сверхпроводнику, то поля, которые будут здесь возникать, гораздо меньше. Это означает, что дефекты, которые есть в материале кубита, здесь, скорее всего, не проявятся. А это означает, что мы сможем получить кубиты с более высоким временем когерентности, что поможет справиться с одной из главных проблем кубитов — не слишком большим временем их квантовой „жизни“».

Сергей Сыров

Источники:

1. 22century.ru