APS/Alan Stonebraker

Новый тип кубитов из сверхпроводящих контактов и полупроводниковых нанопроволок

Две научные группы зявили о создании новой архитектуры квантовых процессоров, объединяющих сверхпроводящие кубиты и полупроводниковые нанопроволоки!

Сверхпроводящие кубиты, про которые мы уже не раз писали, имеют в качестве ключевых элементов так называемые джозефсоновские переходы - туннельные контакты, состоящие из двух кусочков сверхпроводника и прослойки изолятора между ними. Эти переходы выполняют две функции. Во-первых, они служат в качестве нелинейного элемента, изменяющего потенциал системы таким образом, что из всех ее энергетических уровней выделяются только нужные для кубита два нижних. Во-вторых, благодаря наличию таких переходов, можно подстраивать рабочую частоту кубита, прикладывая магнитное поле.

Обычно кубиты с джозефсоновскими переходами создаются из кусочков алюминия с прослойкой оксида алюминия между ними в качестве изолирующего слоя. Две новых работы демонстрируют альтернативные варианты создания кубитных систем, заменяя традиционный переход на полупроводниковую проволочку из арсенида индия (InAs).

Схематическое изображение новой архитектуры кубитов. Credit: APS/Alan Stonebraker

Проволочки из арсенида индия являются идеальными кандидатами на эту роль, т.к. их достаточно легко выращивать в виде монокристаллов и интегрировать в сверхпроводящие схемы. В двух проведенных экспериментах ученые использовали различные сверхпроводники для создания контакта с проволокой: группа из университета Дельфта, Нидерланды, использовала NbTiN (сверхпроводник, выдерживающий большое магнитное поле), а группа из университета Копенгагена, Дания, - алюминий высокого качества.

Обе научные группы использовали полупроводниковые свойства арсенида индия, чтобы подстраивать рабочую частоту кубита, подавая напряжение на дополнительный электрод. Приложенное напряжение порядка 10 вольт позволило сдвигать частоту кубита от сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Такая подстройка напряжением существенно упрощает схему устройства по сравнению с традиционными сверхпроводящими кубитами, т.к. больше нет необходимости в нескольких джозефсоновских переходах и дополнительных проводах для создания управляющего магнитного поля.

Для считывания состояния новых кубитов и управления ими, исследователи помещали кубиты рядом со сверхпроводящими резонаторами и смогли продемонстрировать сильную связь между ними. Кроме того, группа из Копенгагена смогла оценить время жизни квантового состояния кубита, которое составило порядка 1 микросекунды. Это чуть хуже значения, достигнутого в самых долгоживущих традиционных кубитах на джозефсоновских переходах, но все равно очень неплохо для первого поколения подобных устройств. К примеру, на таком кубите уже можно произвести порядка 5000 элементарных операций за время его жизни!

Создание таких кубитов - это важный шаг к широкому использованию гибридных систем для квантовой обработки информации. Возможность подстраивать кубиты с помощью напряжения, а не магнитного потока, позволяет избежать потерь на диссипацию, что может сыграть существенную роль при масштабировании квантовых процессоров до тысяч кубитов. Кроме того, такие системы позволят лучше изучить интересные физические эффекты, возникающие на границе полупроводника со сверхпроводниками.

Еще одним интересным направлением является соединение таких сверхпроводящих кубитов с другими типами кубитов - например, спиновыми кубитами в квантовых точках, которым требуется для работы сильное магнитное поле, несовместимое с традиционными сверпроводящими кубитами. Но наиболее захватывающей перспективой выглядит возможность использовать Майорановские фермионы для создания топологических кубитов - ведь о возможности существования Майорановских фермионов в тонких проволоках арсенида индия ученые сообщали еще в 2012 году!

Подробнее о новом типе кубитов: http://physics.aps.org/articles/v8/87

P.S. Если Вам понравилась статья - поделитесь ей с друзьями, которым это может быть интересно! А еще вступайте в наше сообщество, где мы рассказываем о самых интересных новостях современной физики! ?