Сверхпроводящие квантовые биты (просто кубиты) – это искусственные атомы, которые используют различные методы для получения битов квантовой информации, фундаментального компонента квантовых компьютеров. Подобно традиционным двоичным схемам в компьютерах, кубиты могут поддерживать одно из двух состояний, соответствующих классическим двоичным битам, 0 или 1. Но эти кубиты также могут быть суперпозицией обоих состояний одновременно, что может позволить квантовым компьютерам решать сложные задачи, которые практически невозможны для традиционных компьютеров.
Время, в течение которого эти кубиты остаются в этом состоянии суперпозиции, называется их «временем когерентности»."Чем больше время согласования, тем выше способность кубита решать сложные задачи.
В последнее время исследователи включают материалы на основе графена в сверхпроводящие квантовые вычислительные устройства, которые, среди прочего, обещают более быстрые и эффективные вычисления. Однако до сих пор не было зарегистрировано согласованности этих продвинутых кубитов, поэтому неизвестно, применимы ли они для практических квантовых вычислений.
В статье, опубликованной сегодня в Nature Nanotechnology, исследователи впервые демонстрируют когерентный кубит, сделанный из графена и экзотических материалов. Эти материалы позволяют кубиту изменять состояние посредством напряжения, подобно транзисторам в современных традиционных компьютерных микросхемах – и в отличие от большинства других типов сверхпроводящих кубитов. Более того, исследователи присвоили этой когерентности число, отсчитав ее до 55 наносекунд, прежде чем кубит вернется в свое основное состояние.
Работа объединила опыт соавторов Уильяма Д. Оливер, профессор физики и сотрудник лаборатории Линкольна, чья работа сосредоточена на квантовых вычислительных системах, и Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики Сесила и Иды Грин в Массачусетском технологическом институте, который исследует инновации в графене.
«Наша мотивация – использовать уникальные свойства графена для улучшения характеристик сверхпроводящих кубитов», – говорит первый автор Джоэл Ай-Ян Ван, постдок группы Оливера в Исследовательской лаборатории электроники (RLE) в Массачусетском технологическом институте. «В этой работе мы впервые показываем, что сверхпроводящий кубит, сделанный из графена, является квантово когерентным во времени, что является ключевым условием для построения более сложных квантовых схем. Наше первое устройство, показывающее измеримое время когерентности – основной показатель кубита – которого достаточно, чтобы люди могли его контролировать."
Есть еще 14 соавторов, в том числе Даниэль Родан-Легрейн, аспирант в группе Харилло-Эрреро, которые в равной степени внесли свой вклад в работу с Вангом; Исследователи Массачусетского технологического института из RLE, Департамента физики, Департамента электротехники и информатики и лаборатории Линкольна; и исследователи из Лаборатории облученных твердых тел Политехнической школы и Лаборатории перспективных материалов Национального института материаловедения.
Безупречный сэндвич с графеном
Сверхпроводящие кубиты основаны на структуре, известной как «джозефсоновский переход», где изолятор (обычно оксид) зажат между двумя сверхпроводящими материалами (обычно алюминием).
В традиционных конструкциях настраиваемых кубитов токовая петля создает небольшое магнитное поле, которое заставляет электроны прыгать вперед и назад между сверхпроводящими материалами, заставляя кубит переключать состояния.
Но этот текущий ток потребляет много энергии и вызывает другие проблемы. Недавно несколько исследовательских групп заменили изолятор на графен, слой углерода толщиной в атом, который недорого производить в массовом порядке и обладает уникальными свойствами, которые могут обеспечить более быстрые и эффективные вычисления.
Чтобы изготовить свой кубит, исследователи обратились к классу материалов, называемых материалами Ван-дер-Ваальса – атомно-тонким материалам, которые можно складывать, как лего, друг на друга, практически без сопротивления или повреждений. Эти материалы можно сложить определенным образом для создания различных электронных систем. Несмотря на почти безупречное качество поверхности, лишь несколько исследовательских групп когда-либо применяли материалы Ван-дер-Ваальса в квантовых схемах, и ни одна из них ранее не демонстрировала временную когерентность.
Для своего джозефсоновского перехода исследователи зажали лист графена между двумя слоями ван-дер-ваальсова изолятора, называемого гексагональным нитридом бора (hBN). Важно отметить, что графен приобретает сверхпроводимость сверхпроводящих материалов, которых он касается. Выбранные материалы Ван-дер-Ваальса могут быть заставлены перемещать электроны с помощью напряжения вместо традиционного магнитного поля, основанного на токе. Следовательно, графен – и весь кубит – тоже.
Когда на кубит подается напряжение, электроны подпрыгивают между двумя сверхпроводящими выводами, соединенными графеном, переводя кубит с земли (0) в возбужденное или суперпозиционное состояние (1). Нижний слой hBN служит подложкой для размещения графена. Верхний слой hBN инкапсулирует графен, защищая его от любого загрязнения.
Поскольку материалы такие нетронутые, бегущие электроны никогда не взаимодействуют с дефектами. Это представляет собой идеальный «баллистический транспорт» для кубитов, когда большая часть электронов перемещается от одного сверхпроводящего вывода к другому без рассеяния на примесях, что приводит к быстрой и точной смене состояний.
Как напряжение помогает
Работа может помочь решить "проблему масштабирования кубита", – говорит Ван.
В настоящее время на одном чипе может поместиться только около 1000 кубитов. Наличие кубитов, управляемых напряжением, будет особенно важно, поскольку миллионы кубитов начинают втиснуться в один чип. «Без контроля напряжения вам также понадобятся тысячи или миллионы токовых петель, а это занимает много места и приводит к рассеянию энергии», – говорит он.
Кроме того, контроль напряжения означает большую эффективность и более локализованное и точное нацеливание на отдельные кубиты на кристалле без перекрестных помех."Это происходит, когда небольшая часть магнитного поля, создаваемого током, мешает кубиту, на который он не нацелен, вызывая вычислительные проблемы.
На данный момент кубит исследователей имеет короткое время жизни. Для справки: обычные сверхпроводящие кубиты, перспективные для практического применения, имеют задокументированное время когерентности в несколько десятков микросекунд, что в несколько сотен раз больше, чем у кубита исследователей.
Но исследователи уже решают несколько проблем, которые вызывают такой короткий срок службы, большинство из которых требует структурных изменений.
Они также используют свой новый метод исследования когерентности для дальнейшего изучения того, как электроны баллистически движутся вокруг кубитов, с целью увеличения когерентности кубитов в целом.