Терагерцовая микроскопия: новый способ видеть невидимое и создавать квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры — это одно из самых перспективных и сложных направлений в современной науке и технологии. Они обещают решать задачи, которые недоступны для обычных компьютеров, такие как факторизация больших чисел, моделирование сложных систем, распознавание образов и многое другое. Однако для того, чтобы квантовые компьютеры стали реальностью, необходимо преодолеть множество технических проблем, связанных с созданием и поддержанием квантовых состояний.

Одним из основных элементов квантовых компьютеров является квантовый бит или кубит. Кубит — это двухуровневая система, которая может находиться в суперпозиции двух состояний, обозначаемых как 0 и 1. В отличие от классического бита, который может принимать только одно из этих значений, кубит может быть в любой комбинации 0 и 1 с определенными вероятностями. Это дает кубиту большую вычислительную мощность и позволяет проводить параллельные операции над множеством кубитов.

Однако кубиты очень чувствительны к воздействию внешней среды, которая может нарушить их квантовую суперпозицию и привести к потере информации. Это явление называется декогеренцией и является одним из главных препятствий для создания надежных и масштабируемых квантовых компьютеров. Для того, чтобы минимизировать декогеренцию, необходимо обеспечить высокую чистоту и однородность материалов и компонентов, из которых состоят кубиты, а также охлаждать их до сверхнизких температур.

Одним из наиболее распространенных типов кубитов являются сверхпроводящие кубиты, которые используют свойство сверхпроводимости для создания двухуровневой системы. Сверхпроводимость — это явление полного отсутствия сопротивления электрическому току в некоторых материалах при достаточно низких температурах. Сверхпроводящие кубиты состоят из двух сверхпроводящих электродов, разделенных тонким слоем изолятора. Такая структура называется джозефсоновским переходом (ДП) и позволяет току протекать через изолятор благодаря квантовому эффекту туннелирования.

ДП является ключевым компонентом сверхпроводящих кубитов, так как он определяет частоту перехода между двумя состояниями кубита и скорость его декогеренции. Поэтому важно контролировать параметры ДП, такие как толщина изолятора, площадь контакта, качество поверхности и т. д. Однако изготовление ДП на наномасштабе представляет собой сложную технологическую задачу, которая может приводить к дефектам и неоднородностям в структуре ДП. Эти дефекты могут вызывать локальную концентрацию электрического поля, которая в свою очередь приводит к рассеянию и диссипации энергии и ухудшению качества кубита.

Для того, чтобы обнаружить и устранить такие дефекты, необходимо иметь эффективный инструмент для измерения и визуализации ДП на наномасштабе. Традиционные методы, такие как сканирующая электронная или просвечивающая электронная микроскопия, могут повредить или изменить свойства ДП при контакте с ними. Поэтому нужен бесконтактный и высокоразрешающий метод, который может работать при криогенных температурах.

Таким методом является терагерцовая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (ТСБОМ), которая была разработана в Национальной лаборатории Эймса (США) под руководством ученого Цзигана Ванга. ТСБОМ использует специальный наконечник, который усиливает разрешение микроскопа до наномасштаба, практически не касаясь или не влияя на изучаемый объект. ТСБОМ также использует терагерцовое излучение, которое имеет длину волны от 0,1 до 1 мм и частоту от 0,1 до 10 ТГц. Терагерцовое излучение имеет ряд преимуществ для изучения сверхпроводящих кубитов, таких как:

• Высокая проникающая способность в непроводящие материалы, такие как изоляторы и полупроводники.
• Низкая поглощаемость в проводящих материалах, таких как сверхпроводники.
• Способность возбуждать колебания зарядов и спинов в квантовых системах.
• Совместимость с криогенными температурами.

Используя ТСБОМ, ученые из Национальной лаборатории Эймса в сотрудничестве с Центром сверхпроводящих квантовых материалов и систем (SQMS), одним из национальных центров по квантовой информационной науке США, провели исследование ДП, изготовленного компанией Rigetti Computing, одним из партнеров SQMS. Rigetti Computing — это одна из ведущих компаний в области коммерческого производства сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Ученые получили изображения ДП под действием электромагнитного поля с помощью ТСБОМ и обнаружили дефектную границу в нанопереходе, которая вызывает нарушение проводимости и служит препятствием для достижения высокого качества кубита. Ученые также сравнили изображения ДП при разных напряжениях и частотах и обнаружили, что дефектная граница влияет на распределение электрического поля и токов в ДП, что приводит к нелинейным эффектам и анизотропии.

Эти результаты показывают, что ТСБОМ является мощным инструментом для изучения и улучшения сверхпроводящих кубитов на наномасштабе. ТСБОМ может помочь разработчикам квантовых компьютеров оптимизировать параметры ДП, устранять дефекты и повышать производительность кубитов. ТСБОМ также может способствовать развитию новых типов сверхпроводящих кубитов, которые могут использовать терагерцовое излучение для управления и считывания информации.

В заключение можно сказать, что терагерцовая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия — это новый инструмент, который помогает улучшить ключевой квантовый вычислительный цепь — джозефсоновский переход. Этот инструмент может открыть новые возможности для создания и тестирования сверхпроводящих кубитов, которые являются основой квантовых компьютеров будущего.

То же самое, но простыми словами

Ученые придумали новый способ смотреть на маленькие частицы, из которых делают квантовые компьютеры. Квантовые компьютеры — это такие компьютеры, которые могут делать очень сложные вычисления, но для этого им нужно хранить информацию в специальных частицах, которые называются кубитами. Кубиты могут быть в двух состояниях одновременно, например, 0 и 1, и это дает им больше возможностей, чем обычным компьютерам. Но кубиты очень легко портятся от воздуха, тепла или других вещей, и тогда они теряют свои свойства и информацию. Это называется декогеренцией. Чтобы этого не происходило, нужно делать кубиты из очень чистых материалов и охлаждать их до очень низких температур.

Один из видов кубитов — это сверхпроводящие кубиты. Они используют свойство некоторых материалов проводить электричество без сопротивления при низких температурах. Сверхпроводящие кубиты состоят из двух проводников, между которыми есть тонкий слой изолятора. Это называется джозефсоновским переходом (ДП). ДП определяет, как меняются состояния кубита и как быстро он портится. Поэтому нужно контролировать параметры ДП, такие как толщина изолятора, площадь контакта и т. д. Но делать ДП на маленьком уровне очень сложно, и иногда в них появляются дефекты или неоднородности, которые ухудшают качество кубита.

Чтобы найти и исправить такие дефекты, нужно иметь хороший инструмент для измерения и показывания ДП на маленьком уровне. Обычные инструменты, такие как электронные микроскопы, могут повредить или изменить свойства ДП при контакте с ними. Поэтому нужен инструмент, который не касается ДП и работает при низких температурах.

Таким инструментом является терагерцовая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (ТСБОМ), которую придумали в Америке. ТСБОМ использует специальный наконечник, который увеличивает разрешение микроскопа до маленького уровня, почти не трогая ДП. ТСБОМ также использует терагерцовое излучение, которое имеет длинную волну и низкую частоту. Терагерцовое излучение хорошо подходит для изучения сверхпроводящих кубитов.

В общем, пост говорит о том, что терагерцовая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия — это новый способ смотреть на маленькие частицы, из которых делают квантовые компьютеры. Этот способ может открыть новые возможности для создания и проверки сверхпроводящих кубитов, которые являются основой квантовых компьютеров будущего.

Источник: https://scitechdaily.com/terahertz-snom-microscope-new-tool-helps-improve-key-quantum-computing-circuit/?expand_article=1#google_vignette