Новая архитектура кубитов: ученые нашли способ упростить производство квантовых компьютеров

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Мир стоит на пороге квантовой революции. Квантовые компьютеры, использующие причудливые законы квантовой механики, обещают превзойти по вычислительной мощности даже самые совершенные суперкомпьютеры, построенные на основе кремниевых технологий. Ключевым элементом этих фантастических машин является кубит — квантовый аналог классического бита, способный находиться не только в состояниях «0» или «1», но и в их суперпозиции, что и открывает двери к невиданным ранее вычислительным возможностям.

В настоящее время большинство кубитов создаются на основе джозефсоновских переходов типа «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» (СИС). В них два сверхпроводящих слоя разделены тончайшей прослойкой диэлектрика, через которую электроны могут туннелировать, создавая квантовые эффекты, необходимые для работы кубита.

Кубит, абстрактно
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Однако, СИС-переходы обладают рядом существенных недостатков, которые тормозят развитие квантовых технологий. Во-первых, они крайне чувствительны к зарядовому шуму — случайным флуктуациям электрического поля, которые разрушают хрупкую квантовую информацию, хранящуюся в кубитах. Во-вторых, изготовление СИС-переходов требует сложных технологических процессов, что затрудняет масштабирование производства квантовых процессоров.

Именно поэтому ученые по всему миру активно ищут альтернативные дизайны кубитов. Недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) предложили новый подход, основанный на джозефсоновских переходах типа «сверхпроводник-сужение-сверхпроводник» (ССС).

(a) Схема джозефсоновского перехода Al/AlOx/Al сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Для наглядности самородный оксид, покрывающий оба Al-электрода, опущен. (b) Схема копланарного сверхпроводник-констриктор-сверхпроводник (ScS) джозефсоновского перехода, в котором две сверхпроводящие площадки соединены наномостом длиной d и шириной w (врезка).
Автор: Mingzhao Liu, Charles T. Black; arXiv:2301.04276 [cond-mat.supr-con]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.04276%20Focus%20to%20learn%20more CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

В ССС-переходах вместо изолирующего слоя используется наномостик — тончайшая перемычка из того же сверхпроводящего материала, что и остальная часть кубита. Эта, казалось бы, простая модификация приводит к существенным изменениям в свойствах кубита.

Анализ, проведенный с использованием теории Гинзбурга-Ландау, — фундаментального инструмента для описания сверхпроводимости, — показал, что ССС-кубиты обладают рядом преимуществ перед своими СИС-собратьями.

Во-первых, ССС-кубиты демонстрируют значительно меньшую чувствительность к зарядовому шуму. Это связано с тем, что потенциальный барьер, разделяющий квантовые состояния в ССС-кубите, выше, чем в СИС-кубите, что делает туннелирование электронов между состояниями менее вероятным. В результате, квантовая информация, хранящаяся в ССС-кубите, оказывается более защищенной от внешних воздействий.

Во-вторых, ССС-переходы могут быть изготовлены с помощью стандартных методов литографии, используемых в современной микроэлектронике. Это значительно упрощает процесс производства и открывает путь к созданию более сложных и масштабируемых квантовых процессоров.

(a) Графическое руководство по проектированию наномостового ScS-трансмона с требуемыми EJ и EC для соответствия желаемой частоте трансляции ω01 и минимальной длительности импульса τp. Длина наномоста фиксирована и составляет 2,25ξ. Красные линии — контурные линии для частот трансмонов, установленных в диапазоне от 1 до 10 ГГц. Пунктирные черные линии — контурные линии для τp, установленного в нескольких значениях между 3,2 и 100 нс. Синие линии — контурные линии для соотношений EJ /EC, установленных на значениях 10, 100 и 1000. Вторая ось x, которая параллельна EC, представлена для CΣ, следуя CΣ = e2/2EC. Аналогично, вторая ось y, параллельная EJ, представлена дляRn/Tc, следуя Rn/Tc = 1,76kBΦ0/(2eEJ ). (b, c) Сопротивления листа в нормальном состоянии R□, необходимые для соответствия значениям Rn/Tc в (b) зеленой точке (6 kΩ - K-1) и (c) фиолетовой точке (20 kΩ - K-1), для материалов с различными значениями Tc и ξ. Затем ширина моста фиксируется на уровне 20 нм
Автор: Mingzhao Liu, Charles T. Black; arXiv:2301.04276 [cond-mat.supr-con]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.04276%20Focus%20to%20learn%20more CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Однако, как и любая новая технология, ССС-кубиты имеют и свои ограничения.

Главный недостаток ССС-кубитов — меньшая ангармоничность. Ангармоничность — это свойство, позволяющее избирательно управлять энергетическими уровнями кубита, что крайне важно для выполнения квантовых операций. В ССС-кубитах ангармоничность ниже, чем в СИС-кубитах, что может потребовать использования более длинных управляющих импульсов. Это, в свою очередь, может снизить скорость квантовых вычислений.

(a) Первые четыре собственные энергии SIS-трансмона, построенные в зависимости от EJ /EC для ng = 1/2, рассчитанные с помощью аналитических решений (серые сплошные линии) и метода конечных разностей (пунктирные линии), как функции EJ /EC. (b) Относительные ошибки конечно-разностных решений, рассчитанные как (Em, fd-Em, a)/Em, a, в которых Em, fd и Em, a — m-е собственные энергии, полученные методом конечных разностей и аналитическим решением, соответственно. (c) Зарядовая дисперсия ϵm четырех низших собственных состояний SIS-трансмона (пунктирные линии), рассчитанная с помощью аналитических решений (серые сплошные линии) и метода конечных разностей (пунктирные линии), как функции EJ /EC.
Автор: Mingzhao Liu, Charles T. Black; arXiv:2301.04276 [cond-mat.supr-con]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.04276%20Focus%20to%20learn%20more CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Несмотря на этот недостаток, ССС-кубиты представляют собой весьма перспективную альтернативу для развития квантовых технологий. Их повышенная устойчивость к зарядовому шуму и упрощенная технология изготовления могут сыграть решающую роль в создании нового поколения квантовых компьютеров.

В настоящее время ученые активно работают над оптимизацией параметров ССС-кубитов. Основные направления исследований — поиск новых сверхпроводящих материалов с высокой кинетической индуктивностью и разработка геометрий наномостиков, позволяющих увеличить ангармоничность и рабочую частоту кубитов.

Возможно, именно ССС-кубиты станут тем самым «квантовым скачком», который выведет квантовые вычисления на новый уровень и позволит нам решать задачи, которые сегодня кажутся недостижимыми.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Какие животные, кроме попугаев, умеют говорить

Когда мы думаем о животных, способных произносить человеческие слова, на ум сразу приходят попугаи. Их умение воспроизводить звуки поражает и вызывает восхищение. Однако попугаи — это не...

Что делать, если машину заносит на скользкой дороге

Занос автомобиля — это очень опасная ситуация, с которой может столкнуться любой водитель, особенно во время езды на скользкой дороге или на мокром асфальте. В такие моменты важно...

Слишком тяжелая, чтобы существовать? Новая теория о темной материи, которая может перевернуть физику

Вселенная полна загадок, и одна из самых интригующих — это тёмная материя. Мы знаем, что она есть, но понятия не имеем, что она собой представляет. Эта невидимая субстанция, по всей...

Семь планет в ряд — Парад планет 2025: Как увидеть все планеты Солнечной системы одновременно?

Представьте себе: на фоне бархатного ночного неба, усыпанного звездами, вдруг выстраивается целая процессия планет. Не одна, не две, а целых семь! Это не сюжет из фантастического фильма, а реальное...

Глубинные аномалии Калифорнии: Как литосфера Сьерра-Невады отслаивается и уходит на дно

Знаете, иногда природа подбрасывает нам такие загадки, что голова кругом идет. Вот, например, горы Сьерра-Невада в Калифорнии. Красивейшие места, спору нет. Но, оказывается, под этой живописной...

Как изменились игровые ПК за 2024 год по данным Steam

Steam ежемесячно публикует занимательную и интересную статистику, которая позже становится объектом споров и дискуссий. Также эта информация, при должной обработке и отслеживании динамики,...