Ученые создали принципиально новый кубит для квантового компьютера

Оборудование лаборатории Сверхпроводящие метаматериалы НИТУ МИСиС,
занимающейся изучением метаматериалов и созданием квантового компьтера
© Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Несмотря на то, что универсальный квантовый компьютер ещё не создан, принцип вычислений, заложенный в его основу, уже сейчас позволяет решать сверхсложные задачи. Например, в некоторых лабораториях при помощи кубитов моделируют химические соединения и материалы, воссоздают механизм процессов фотосинтеза. Поэтому так важно как можно скорее усовершенствовать основные элементы квантового компьютера, в частности, – главную вычислительную ячейку – кубит.

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) нанопроволоке, которая в обычном состоянии имеет довольно большое сопротивление. Впервые этот предсказанный в теории эффект наблюдал в эксперименте руководитель данной работы Олег Астафьев, сейчас он заведует лабораторией «Искусственных квантовых систем» МФТИ, является профессором Университета Лондона и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне. Его пионерская работа была опубликована в журнале Nature в 2012 году.

Как рассказал один из соавторов новой работы Алексей Устинов, руководящий группой Российского квантового центра и заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», а также являющийся в Германии профессором Института технологий Карлсруэ, – сейчас удалось создать новый тип сверхпроводящих устройств, во многом аналогичных СКВИДу (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»).

По сути, СКВИД – это сверхчувствительный магнитометр, используемый для измерения слабых магнитных полей и основанный на джозефсоновских переходах. Только вместо магнитного поля интерференция в новом устройстве вызывается электрическим полем, меняющем электрический заряд на островке между двумя нанопроволоками. 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, – говорит ученый, – 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 получен управляемый и когерентный эффект, и что его можно применять для создания кубитов нового поколения.

CКВИД-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.

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. Важно также и то, что новые кубиты более просты в изготовлении. На этом принципе может быть построен весь набор элементов сверхпроводящей электроники.