2010_07_26_NaturePhysics2

Сверхпроводящие кубиты - в лидеры!

Продолжая нашу сагу про квантовые биты и их физические реализации, сегодня мы разберемся с кубитами на основе сверхпроводников (сверхпроводящими кубитами) и выясним, почему они стали наиболее вероятными претендентами на победу в кубитной гонке.

Начнем с размеров. Привычная для всех электроника, в т.ч. и компьютер, на котором я сейчас набираю данный текст, производятся с помощью устоявшихся технологий микро- и нанофабрикации [микро = 10^(-6), нано = 10^(-9)]. Т.е. самые маленькие элементы на чипах в среднем имеют размер от десятков нанометров до микрометра. Прогресс в развитии технологий изготовления чипов хорошо виден на примере процессоров.

Прогресс технологий микрофабрикации

Прогресс технологий микрофабрикации

Как это связано со сверхпроводящими кубитами? Очень просто! Средний размер сверхпроводящего кубита составляет несколько микрометров, поэтому, как ни странно это звучит, по сравнению с традиционными обитателями микромира - молекулами, атомами и электронами - такие кубиты являются макроскопиче­скими квантовыми объектами! Это значит одну простую вещь - их гораздо проще изготавливать и ими гораздо проще манипулировать по сравнению с микроскопическими атомами и ионами, или, тем более, электронами!

Различные сверхпроводящие кубиты и их размеры.

Различные сверхпроводящие кубиты и их размеры.

Кроме того, как мы уже выяснили выше, процесс изготовления сверхпроводящих кубитов во многом повторяет процесс изготовления современной электроники, а, значит, существующие промышленные мощности могут быть без особых усилий модифицированы для производства таких кубитов. Наконец, задача изготовления сотен или тысяч сверхпроводящих кубитов на одном чипе не представляет особенных сложностей, что является необходимым условием для создания квантового компьютера достаточной "мощности".

Чипы со множеством кубитов.

Чипы со множеством кубитов.

Теперь разберемся со следующим вопросом - как такие большие объекты, размером больше микрометра, могут сохранять квантовые свойства? Мы привыкли, что в макромире нет места квантовости, которая проявляется исключительно на очень малых масштабах. Очень хорошим вопросом здесь будет - насколько малым должен быть объект, чтобы проявлять квантовые свойства? Мы обязательно попробуем более обширно осветить это в одной из дальнейших статей, а пока поразмышляйте над ним сами! 😉 Еще одним хорошим вопросом, который стоит себе задать, будет - почему большие объекты в принципе теряют квантовые свойства?

Ответ на этот вопрос может быть довольно сложным и объемным, но мы постараемся объяснить все с помощью простой аналогии. Представьте себе, что у нас есть квантовый объект и некая среда, которая его окружает. Если таким объектом является атом, то на его масштабе окружающая среда практически пуста, ведь межатомные расстояния (например, в газе) несоизмеримо больше размеров самого атома! Поэтому окружающая среда влияет на атом довольно слабо и мы можем, приложив достаточные усилия, обнаружить его квантовые свойства.

Большие квантовые объекты

Большие квантовые объекты

С увеличением размеров квантового объекта становится все сложнее отделить его от окружающей среды и сопутствующего шума. Но дело не только в этом - большой квантовый объект должен включать в себя множество атомов, независимое движение и взаимодействие которых создает все больший и больший беспорядок, "размазывая" квантовое поведение системы и делая его все более похожим на классическое. Здесь обычно говорят, что такие системы имеют большое количество степеней свободы, что не есть хорошо, если мы хотим получить работающую, как единое целое, квантовую систему - кубит.

Что же делать, если мы хотим получить "большие" кубиты, которые удобно создавать и контролировать? Здесь нам на помощь приходят сверхпроводники! Сверхпроводники выделяются среди остальных материалов тем, что как бы много электронов ни текло по сверхпроводящему проводу - все они ведут себя одинаково (т.е. на языке квантовой механики описываются одной макроскопической волновой функцией), в сумме составляя сверхток. Другими словами, сверхток - это конденсат электронов [подобно частичкам воды в паре, собирающимся в капли на холодной поверхности, электроны сваливаются в кучу при определенных обстоятельствах].

Схематическое представление тока электронов по кольцу сверхпроводящего кубита и его физическая реализация.

Схематическое представление тока электронов по кольцу сверхпроводящего кубита и его физическая реализация.

Более того, такая сверхпроводящая система является изолированной от других благодаря наличию так называемой энергетической щели [величина, на которую энергия кучи электронов, сваленных в конденсат, отличается от энергии несконденсировавшихся электронов]. Это приводит к тому, что внести беспорядок в стройное поведение электронов в сверхпроводнике не так-то просто - нужно обладать энергией, большей величины щели!

На этом на сегодня все! Надеемся, что наш рассказ вам понравился!
P.S. Вступайте в наше сообщество Вконтакте, подписывайтесь на нас и рассказывайте друзьям!

Комментарии: