Международная группа ученых из России, Великобритании и Германии продемонстрировала альтернативную конструкцию кубита, которая может быть использована для построения квантового компьютера. Основным элементом этой конструкции являются нано-проволоки из сверхпроводника. Уже в первых экспериментах новый сверхпроводниковый кубит показал себя не хуже традиционных кубитов, построенных на джозефсоновских переходах.



Схема и рисунок нового кубита

Коллаборации ученых из Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС» (Россия), Университета Лондона и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания), Университета Карлсруэ и Института фотонных технологий (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 нано-проволоке. Работа исследователей опубликована в Nature Physics.

Ученые прочат квантовому компьютеру великие достижения. Принцип вычислений, заложенный в его основу, даже сейчас позволяет решать сверхсложные задачи. Хотя сам универсальный квантовый компьютер ещё пока не создан, исследователи уже могут при помощи кубитов моделировать химические соединения и материалы. Поэтому множество научных групп работают над усовершенствованием элементов квантового компьютера. Особенно напряженно идет работа над изучением и улучшением основной вычислительной ячейки квантового компьютера – кубита.

Существует несколько подходов к созданию кубитов. Например, созданы кубиты, работающие в оптическом диапазоне. Однако 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 кубит основан на эффекте квантового проскальзывания фазы — контролируемого периодического разрушения и восстановления сверхпроводимости в сверхтонкой (порядка 4 нм толщиной) нано-проволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Впервые этот предсказанный в теории эффект наблюдал экспериментально руководитель данной работы Олег Астафьев, сейчас он заведуюет лабораторией «Искуственных 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.



Профессор Алексей Устинов

Как рассказал один из авторов новой работы Алексей Устинов, который в России руководит группой РКЦ и заведует лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС, а в Германии является профессором Института технологий 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 нано-проволоками. 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 уже нашли свое применение в ряде медицинских сканирующих аппаратов, таких как магнитокардиографы и магнитоэнцефалографы, 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 серьезные изменения не только в мире квантовых компьютеров.

По словам профессора Устинова, перед учеными стоит ещё много фундаментальных задач, связанных с изучением работы нового кубита. Однако уже сейчас понятно, что речь идет 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, наведенный 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 наведенный».

«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. – рассказывает профессор Устинов. — Пока они не сильно больше, чем в обычных кубитах, но мы только начали работать, и есть шанс, что они будут большими. Например, есть еще 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 счет того, что в этой зоне большие электрические поля, фактически все напряжение падает на масштабе 2 нм. Если же мы представим, что такое же падение происходит в однородной проволочке, причем, 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»».