Результати дослідження нового надпровідного кубіту, опубліковані в журналі Nature Communications, показують,
Надпровідні кубити
Традиційні обчислювальні моделі спираються нафізичні рішення, які відповідають законам класичної механіки. Так працюють, наприклад, більшість сучасних процесорів. У квантових обчисленнях для комунікації та обробки інформації застосовуються явища, що виникають у масштабі атомів та субатомних частинок.
Існують різні моделі квантових обчислень,однак найпопулярніші з них включають використання кубітів та квантових вентилів. Нагадаємо, кубит — це система з двома можливими станами, яка може перебувати в одному з них або суперпозиції обох. Квантовий вентиль – базовий елемент цифрової схеми, що виконує елементарну логічну операцію. Він описує, як зміниться з урахуванням вихідних значень стан кубітів після застосування до них закону.
Оскільки квантові ефекти виявляються тільки вНадмалі масштаби створення кубитів і вентилів надзвичайно важке завдання. З багатьох підходів до створення корисних квантових комп'ютерів найбільшу популярність отримали надпровідні кубити. Для створення інженери використовують температури близькі до абсолютного нуля, у яких квантові ефекти починають виявлятися на макрорівні. Наприклад, саме за цією технологією працюють представлені недавно квантові процесори IBM, що містять рекордні 433 куб.
Куперовська пара та трансмон
У надпровіднику основними носіями зарядує куперівські пари. Це пов'язане стан двох взаємодіючих через фонон електронів. Воно має нульовий спину і заряд, рівний подвоєному заряду електрона. Саме ці частинки, що діють як єдине ціле, використовуються для квантових обчислень.
Найпростіший зарядовий кубит, або блоккуперівських пар, - це елемент, стан якого визначає наявність або відсутність надлишкових куперівських пар в острівці. Такий компонент формується крихітним надпровідним острівцем, з'єднаним джозефсонівським переходом у надпровідний резервуар. У цьому переході критичний струм пригнічений, і через тонкий ізолюючий або ненадпровідний прошарок між двома надпровідниками протікає тунельний струм.
Стан кубіту при цьому залежить від кількостікуперівських пар, які тунелювали через з'єднання. Ефект тунелювання використовується для проектування квантових ангармонічних генераторів, які є кубитами.
Принципова схема ланцюга зарядового кубіту. Острівець утворений надпровідним електродом між конденсатором затвора та ємністю переходу. Зображення: ETH
Зарядові кубіти виготовляються з використаннямтехнологій, аналогічних тим, що використовуються у мікроелектроніці. Пристрої, як правило, створюються на кремнієвих або сапфірових пластинах з використанням електронно-променевої літографії та випаровування тонких металевих плівок.
При цьому джозефсонівські переходи формуються зза допомогою тіньового випаровування. Це процес, при якому вихідний метал почергово випаровується під двома кутами через маску, що визначається літографією, в електронно-променевому резисті. Це призводить до утворення двох шарів, що перекриваються надпровідного металу, між якими осаджується тонкий шар ізолятора.
Хоча такі кубити досить легко виготовити здопомогою відпрацьованої технології, що використовується в класичних комп'ютерах, до їх недоліків відноситься швидка декогеренція (порушення заплутаності) під впливом зовнішніх шумів. Щоб квантові комп'ютери могли виконувати корисні обчислення, інформація на них повинна мати точність близько 100%. Зарядний шум, викликаний недосконалістю матеріального середовища, в якому знаходяться кубити, негативно впливає на точність інформації.
Пристрій IBM, що складається із чотирьох трансмонів. Зображення: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Щоб збільшити термін «життя» таких кубитів,2007 року дослідники з Єльського університету доопрацювали систему та створили трансмон. Це блок куперівських пар, у якому джозефсонівські переходи додатково шунтовані за допомогою великого ємнісного конденсатора. Зниження чутливості до ємнісного шуму призвело до збільшення часу когерентності від 1-2 нс для блоку куперівських пар майже до 100 нс у трансмона.
Унімон - новий надпровідний кубіт
Художня ілюстрація унімону в квантовому процесорі. Зображення: Aleksandr Kakinen, Aalto University
Незважаючи на значний прогрес у розвиткуквантових обчислень, конструкції та методи кубитів, що використовуються в даний час, не забезпечують достатньо високої продуктивності для широкого практичного застосування. Складність обчислень, що реалізуються, в основному обмежується помилками в квантових елементах з одним і двома кубитами.
Щоб вирішити це завдання, дослідникирозробили новий тип надпровідних кубітів. Вони поєднують підвищену ангармонічність (відхилення від енергії системи від гармонійних «коливань»), повну нечутливість до шуму постійного заряду, знижену чутливість до магнітних шумів та просту структуру.
Пристрій складається з одного джозефсонівськогопереходу, шунтованого лінійною котушкою індуктивності, і конденсатора, що працює в режимі, в якому індуктивна енергія в основному компенсується джозефсонівською енергією. Ця властивість призводить до високого рівня ангармонізму за повної стійкості до низькочастотного зарядового шуму та часткового захисту від шумів потоку, зазначають дослідники.
Для експериментальної демонстрації унімону вченірозробили та виготовили чіпи, кожен з яких складався з трьох кубитів унімону. Вони використовували ніобій як надпровідний матеріал, за винятком контактів Джозефсона, в яких надпровідні висновки були виготовлені з алюмінію.
Ліворуч:Мікроскопічне зображення в штучних кольорах кремнієвого чіпа, що містить три унімони (сині) разом з їх резонаторами зчитування (червоні), приводними лініями (зелені) та сполучною лінією зонда (жовті). Справа: Спрощена експериментальна установка, яка використовується для вимірювання унімонів. Зображення: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
За допомогою своїх пристроїв вчені досяглиточності від 99,8% до 99,9% для однокубітних вентилів тривалістю 13 нс на трьох різних кубітах-унімонах. Дослідники відзначають, що через більш високу ангармонічність або нелінійність, ніж у трансмонах, з унімонами можна працювати швидше, що призводить до меншої кількості помилок на операцію.
Унімони дуже прості, але мають багато перевагперед трансмонами. Той факт, що перший з коли-небудь створених унімонів працював так добре, дає багато можливостей для оптимізації і великих проривів.
Мікко Меттонен, професор квантових технологій університету Аалто
Дослідники продовжать роботу над поліпшеннямиконструкції, матеріалах і часу затвора унімону, щоб перевершити ціль за точністю 99,99% для створення корисної квантової переваги та ефективної корекції помилок у практично пристроях на основі великої кількості кубитів.
Читати далі:
Головну теорію походження людини спростували: звідки ми з'явилися
Опубліковано результати першого тестування препарату проти раку
На Землі тепер живе 8 млрд людей: чи загрожує планеті перенаселення