Финские ученые и инженеры открыли новый тип сверхпроводящих кубитов — унимон. «Хайтек» рассказывает, чем он отличается от традиционных решений и как повысит эффективность работы квантовых компьютеров.
Результаты исследования нового сверхпроводящего кубита, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что даже первое тестовое устройство, созданное на основе унимонов, существенно превосходит аналоги.
Сверхпроводящие кубиты
Традиционные вычислительные модели опираются на физические решения, соответствующие законам классической механики. Так работают, например, большинство современных процессоров. В квантовых вычислениях для коммуникации и обработки информации применяются явления, возникающие в масштабе атомов и субатомных частиц.
Существуют различные модели квантовых вычислений, однако самые популярные из них включают использование кубитов и квантовых вентилей. Напомним, кубит — это система с двумя возможными состояниями, которая может находиться в одном из них или в суперпозиции обоих. Квантовый вентиль — базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию. Он описывает, как изменится с учетом исходных значений состояние кубитов после применения к ним определенного закона.
Поскольку квантовые эффекты проявляются только в сверхмалых масштабах создание кубитов и вентилей чрезвычайно трудная задача. Из множества подходов к созданию полезных квантовых компьютеров наибольшую популярность получили сверхпроводящие кубиты. Для их создания инженеры используют температуры близкие к абсолютному нулю, при которых квантовые эффекты начинают проявляться на макроуровне. Например, именно по этой технологии работают представленные недавно квантовые процессоры IBM, содержащие рекордные 433 кубита.
Куперовская пара и трансмон
В сверхпроводнике основными носителями заряда являются куперовские пары. Это связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Оно обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Именно эти частицы, действующие как единое целое, используются для квантовых вычислений.
Самый простой зарядовый кубит, или блок куперовских пар, — это элемент, состояние которого определяет наличие или отсутствие избыточных куперовских пар в островке. Такой компонент формируется крошечным сверхпроводящим островком, соединенным джозефсоновским переходом в сверхпроводящий резервуар. В этом переходе критический ток подавлен, и через тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками протекает туннельный ток.
Состояние кубита при этом зависит от количества куперовских пар, которые туннелировали через соединение. Эффект туннелирования используется для проектирования квантовых ангармонических генераторов, которые выступают в качестве кубитов.
Зарядовые кубиты изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике. Устройства, как правило, создаются на кремниевых или сапфировых пластинах с использованием электронно-лучевой литографии и испарения тонких металлических пленок.
При этом джозефсоновские переходы формируются с помощью теневого испарения. Это процесс, при котором исходный металл поочередно испаряется под двумя углами через определяемую литографией маску в электронно-лучевом резисте. Это приводит к образованию двух перекрывающихся слоев сверхпроводящего металла, между которыми осаждается тонкий слой изолятора.
Хотя такие кубиты достаточно легко изготовить с помощью отработанной технологии, используемой в классических компьютерах, к их недостаткам относится быстрая декогеренция (нарушение запутанности) под воздействием внешних шумов. Чтобы квантовые компьютеры могли выполнять полезные вычисления, информация на них должна иметь точность, близкую к 100%. Зарядный шум, вызванный несовершенством материальной среды, в которой находятся кубиты, отрицательно влияет на точность информации.
Чтобы увеличить срок «жизни» таких кубитов, в 2007 году исследователи из Йельского университета доработали систему и создали трансмон. Это блок куперовских пар, в котором джозефсоновские переходы дополнительно шунтированы с помощью большого емкостного конденсатора. Снижение чувствительности к емкостному шуму привело к увеличению времени когерентности от 1-2 нс для блока куперовских пар до почти 100 нс у трансмона.
Унимон — новый сверхпроводящий кубит
Несмотря на значительный прогресс в развитии квантовых вычислений, конструкции и методы кубитов, используемые в настоящее время, не обеспечивают достаточно высокой производительности для широкого практического применения. Сложность реализуемых вычислений в основном ограничивается ошибками в квантовых элементах с одним и двумя кубитами.
Чтобы решить эту задачу, исследователи разработали новый тип сверхпроводящих кубитов. Они объединяют повышенную ангармоничность (отклонение от энергии системы от гармонических «колебаний»), полную нечувствительность к шуму постоянного заряда, пониженную чувствительности к магнитным шумам и простую структуру.
Устройство состоит из одного джозефсоновского перехода, шунтированного линейной катушкой индуктивности, и конденсатора, работающего в режиме, в котором индуктивная энергия в основном компенсируется энергией джозефсоновской. Это свойство приводит к высокому уровню ангармонизма при полной устойчивости к низкочастотному зарядовому шуму и частичной защите от шумов потока, отмечают исследователи.
Для экспериментальной демонстрации унимона ученые разработали и изготовили чипы, каждый из которых состоял из трех кубитов унимона. Они использовали ниобий в качестве сверхпроводящего материала, за исключением контактов Джозефсона, в которых сверхпроводящие выводы были изготовлены из алюминия.
С помощью своих устройств ученые достигли точности от 99,8 до 99,9% для однокубитных вентилей длительностью 13 нс на трех разных кубитах-унимонах. Исследователи отмечают, что из-за более высокой ангармоничности или нелинейности, чем в трансмонах, с унимонами можно работать быстрее, что приводит к меньшему количеству ошибок на операцию.
Унимоны очень просты, но имеют много преимуществ перед трансмонами. Тот факт, что самый первый из когда-либо созданных унимонов работал так хорошо, дает много возможностей для оптимизации и крупных прорывов.
Микко Меттонен, профессор квантовых технологий Университета Аалто
Исследователи продолжат работу над улучшениями в конструкции, материалах и времени затвора унимона, чтобы превзойти цель по точности в 99,99% для создания полезного квантового преимущества и эффективной коррекции ошибок в практически устройствах на основе большого количества кубитов.
Читать далее:
Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились
Опубликованы результаты первого тестирования препарата против рака
На Земле теперь живет 8 млрд человек: грозит ли планете перенаселение