От куперовской пары к унимону: чем эффективнее новый кубит

Публикация: 16.11.2022
Источник Комментарии

От куперовской пары к унимону: чем эффективнее новый кубит

Результаты исследования нового сверхпроводящего кубита, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что даже первое тестовое устройство, созданное на основе унимонов, существенно превосходит аналоги.

Сверхпроводящие кубиты

Традиционные вычислительные модели опираются на физические решения, соответствующие законам классической механики. Так работают, например, большинство современных процессоров. В квантовых вычислениях для коммуникации и обработки информации применяются явления, возникающие в масштабе атомов и субатомных частиц.

Существуют различные модели квантовых вычислений, однако самые популярные из них включают использование кубитов и квантовых вентилей. Напомним, кубит — это система с двумя возможными состояниями, которая может находиться в одном из них или в суперпозиции обоих. Квантовый вентиль — базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию. Он описывает, как изменится с учетом исходных значений состояние кубитов после применения к ним определенного закона.

Поскольку квантовые эффекты проявляются только в сверхмалых масштабах создание кубитов и вентилей чрезвычайно трудная задача. Из множества подходов к созданию полезных квантовых компьютеров наибольшую популярность получили сверхпроводящие кубиты. Для их создания инженеры используют температуры близкие к абсолютному нулю, при которых квантовые эффекты начинают проявляться на макроуровне. Например, именно по этой технологии работают представленные недавно квантовые процессоры IBM, содержащие рекордные 433 кубита.

Куперовская пара и трансмон

В сверхпроводнике основными носителями заряда являются куперовские пары. Это связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Оно обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Именно эти частицы, действующие как единое целое, используются для квантовых вычислений.

Самый простой зарядовый кубит, или блок куперовских пар, — это элемент, состояние которого определяет наличие или отсутствие избыточных куперовских пар в островке. Такой компонент формируется крошечным сверхпроводящим островком, соединенным джозефсоновским переходом в сверхпроводящий резервуар. В этом переходе критический ток подавлен, и через тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками протекает туннельный ток. 

Состояние кубита при этом зависит от количества куперовских пар, которые туннелировали через соединение. Эффект туннелирования используется для проектирования квантовых ангармонических генераторов, которые выступают в качестве кубитов.

Принципиальная схема цепи зарядового кубита. Островок образован сверхпроводящим электродом между конденсатором затвора и емкостью перехода. Изображение: ETH

Зарядовые кубиты изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике. Устройства, как правило, создаются на кремниевых или сапфировых пластинах с использованием электронно-лучевой литографии и испарения тонких металлических пленок. 

При этом джозефсоновские переходы формируются с помощью теневого испарения. Это процесс, при котором исходный металл поочередно испаряется под двумя углами через определяемую литографией маску в электронно-лучевом резисте. Это приводит к образованию двух перекрывающихся слоев сверхпроводящего металла, между которыми осаждается тонкий слой изолятора.

Хотя такие кубиты достаточно легко изготовить с помощью отработанной технологии, используемой в классических компьютерах, к их недостаткам относится быстрая декогеренция (нарушение запутанности) под воздействием внешних шумов. Чтобы квантовые компьютеры могли выполнять полезные вычисления, информация на них должна иметь точность, близкую к 100%. Зарядный шум, вызванный несовершенством материальной среды, в которой находятся кубиты, отрицательно влияет на точность информации. 

Устройство IBM, состоящее из четырех трансмонов. Изображение: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information

Чтобы увеличить срок «жизни» таких кубитов, в 2007 году исследователи из Йельского университета доработали систему и создали трансмон. Это блок куперовских пар, в котором джозефсоновские переходы дополнительно шунтированы с помощью большого емкостного конденсатора. Снижение чувствительности к емкостному шуму привело к увеличению времени когерентности от 1-2 нс для блока куперовских пар до почти 100 нс у трансмона.

Унимон — новый сверхпроводящий кубит

Художественная иллюстрация унимона в квантовом процессоре. Изображение: Aleksandr Kakinen, Aalto University

Несмотря на значительный прогресс в развитии квантовых вычислений, конструкции и методы кубитов, используемые в настоящее время, не обеспечивают достаточно высокой производительности для широкого практического применения. Сложность реализуемых вычислений в основном ограничивается ошибками в квантовых элементах с одним и двумя кубитами. 

Чтобы решить эту задачу, исследователи разработали новый тип сверхпроводящих кубитов. Они объединяют повышенную ангармоничность (отклонение от энергии системы от гармонических «колебаний»), полную нечувствительность к шуму постоянного заряда, пониженную чувствительности к магнитным шумам и простую структуру.

Устройство состоит из одного джозефсоновского перехода, шунтированного линейной катушкой индуктивности, и конденсатора, работающего в режиме, в котором индуктивная энергия в основном компенсируется энергией джозефсоновской. Это свойство приводит к высокому уровню ангармонизма при полной устойчивости к низкочастотному зарядовому шуму и частичной защите от шумов потока, отмечают исследователи.

Для экспериментальной демонстрации унимона ученые разработали и изготовили чипы, каждый из которых состоял из трех кубитов унимона. Они использовали ниобий в качестве сверхпроводящего материала, за исключением контактов Джозефсона, в которых сверхпроводящие выводы были изготовлены из алюминия.

Слева: Микроскопическое изображение в искусственных цветах кремниевого чипа, содержащего три унимона (синие) вместе с их резонаторами считывания (красные), приводными линиями (зеленые) и соединительной линией зонда (желтые). Справа: Упрощенная экспериментальная установка, используемая для измерения унимонов. Изображение: Eric Hyyppä et al., Nature Communications

С помощью своих устройств ученые достигли точности от 99,8 до 99,9% для однокубитных вентилей длительностью 13 нс на трех разных кубитах-унимонах. Исследователи отмечают, что из-за более высокой ангармоничности или нелинейности, чем в трансмонах, с унимонами можно работать быстрее, что приводит к меньшему количеству ошибок на операцию.

Унимоны очень просты, но имеют много преимуществ перед трансмонами. Тот факт, что самый первый из когда-либо созданных унимонов работал так хорошо, дает много возможностей для оптимизации и крупных прорывов.

Микко Меттонен, профессор квантовых технологий Университета Аалто

Исследователи продолжат работу над улучшениями в конструкции, материалах и времени затвора унимона, чтобы превзойти цель по точности в 99,99% для создания полезного квантового преимущества и эффективной коррекции ошибок в практически устройствах на основе большого количества кубитов.

Читать далее:

Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились

Опубликованы результаты первого тестирования препарата против рака

На Земле теперь живет 8 млрд человек: грозит ли планете перенаселение


Понравилась статья? Поделись с друзьями!

LongReef Team Автор статьи: LongReef Team
23
Нет Комментариев.
Но, вы можете быть первыми кто его оставит

Авторизуйся что бы оставить свой коммент...

Популярные Статьи

«Хайтек» пообщался с онлайн-университетом Skypro и узнал, на что обратить внимание людям, которые...
03.12.2022
Одна из самых давних фундаментальных загадок биологии связана с плохо изученным происхождением...
01.12.2022
Амеба заражает людей, попадая в организм через нос, а затем — в мозг. Сейчас ее находят в штатах,...
30.11.2022
Рассказываем, что происходит с наукой в экстремальных условиях регионов России.
28.11.2022
Ученых по всему миру занимают одни и те же темы — они занимаются проблемами, которые улучшат наше...
28.11.2022
В России каждый день тысячи исследователей работают над новыми открытиями. Но многие из них,...
28.11.2022
Как скоро людей заменят роботы? На какой стадии развития находится искусственный интеллект? К чему...
26.11.2022
Исследователи впервые установили форму галактического гало Млечного Пути. Разреженная невидимая...
25.11.2022
Ученые впервые создали материал, который имитирует мозгоподобные вычисления в самом мельчайшем...
24.11.2022
Смартфоны и цифровая революция изменили то, как мы воспринимаем реальность и общаемся друг с...
24.11.2022
Международное бюро мер и весов подготовило дорожную карту по изменению определения секунды. По...
23.11.2022
Астрофизики РУДН собрали важнейшие открытия современной космологии с 1917 года по наше время....
23.11.2022
Астрофизики представили новую теорию, которая раскрывает историю формирования сверхмассивных звезд...
20.11.2022
Когда речь идет о шуме, считается, что он только вредит. Даже информационным двигателям. Теперь...
19.11.2022
Столкновение магнитного поля планеты со звездным ветром вызывает не только красивое природное...
18.11.2022
Несколько неудачных попыток, и, все таки, миссия Artemis 1 стартовала. «Хайтек» рассказывает...
16.11.2022
Статистика показывает, что большая часть пользователей не уделяет внимания кибергигиене и отношению...
16.11.2022
Исследователи разработали самую подробную карту человеческого мозга из когда-либо созданных. Особое...
15.11.2022
Количество людей, проживающих по всему миру, увеличилось в 4 раза меньше чем за 100 лет. «Хайтек»...
15.11.2022
Буткемпы подразумевают интенсивное обучение новой профессии: они позволяют освоить азы...
14.11.2022
Ученые восстановили подвижность у девяти парализованных пациентов. Они не остановились на этом...
14.11.2022
Нейтринная обсерватория IceCube помогла ученым впервые заглянуть в сердце активной галактики NGC...
12.11.2022
ООН опубликовало предварительный отчет о том, что происходило с климатом последнее время. «Хайтек»...
10.11.2022
Тысячи лет люди пытаются выяснить, откуда произошли люди и все живое на Земле. Есть основная...
09.11.2022
Ученые совершили прорыв в медицине: эритроциты, выращенные в лаборатории, наконец-то перелили...
09.11.2022
Прошла почти неделя после того, как довольный Илон Маск принес раковину в офис Twitter. С тех пор...
08.11.2022
Когда дроны только появились, исследователи даже не понимали их полного потенциала. А теперь эти...
07.11.2022
Необычное астрономическое явление, кажется, подтверждает альтернативную теорию гравитации, также...
06.11.2022
Раз в тысячу лет Земля страдает от загадочных радиационных бурь. Что их вызывает — неизвестно,...
06.11.2022
Сотрудникам Университета Дании удалось сжать свет в 12 раз ниже предела дифракции в диэлектрическом...
05.11.2022
Исследователи представили концепцию романтического антропоморфизма. Она предполагает придание...
05.11.2022
Исследователи из Великобритании, США, Австралии и Италии провели детективное расследование, чтобы...
04.11.2022
Впервые физики наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной...
04.11.2022
Спутники на протяжении десятилетий отслеживают, как меняется климат на планете. Но этим влияние...
03.11.2022
Большие данные открывают новые возможности в мире технологий все более быстрыми темпами. Это уже...
03.11.2022
При столкновении нейтронных звезд происходит много интересного. Теперь ученые придумали, как...
03.11.2022
Сотрудники Института развития мозга им. Либера утверждают, что разгадали загадку шизофрении...
02.11.2022
Астрофизики обнаружили в звездных скоплениях необычное поведение, которое нельзя объяснить с точки...
02.11.2022
Китай завершает строительство собственной космической станции. 31 октября на орбиту отправлен...
01.11.2022
За нейроморфными устройствами — будущее, однако создать их не так уж просто. Однако физики...
31.10.2022
Бессонница также может быть связана с заболеваниями или приемом определенных лекарств. Лечение...
31.10.2022
Если ученые поймут, как менять вращение протона, это изменит многое. Однако на пути к этому...
29.10.2022
Физики создали первый экзотический конденсат Бозе — Эйнштейна. Это открытие окажет влияние на...
28.10.2022
Самая известная картина Леонардо да Винчи привлекает миллионы туристов загадочным взглядом, который...
28.10.2022
Ученые часто говорят об «апокалипсисе насекомых». «Хайтек» изучил исследования последних пяти лет,...
27.10.2022
Согласно 20-летнему исследованию, проведенному в Швеции, средиземноморская диета не снижает...
26.10.2022
Тень Луны пересекла фактически всю Евразию во время второго и последнего в 2022 году солнечного...
25.10.2022
Инженеры из Университета Дьюка разработали новую систему доставки для лечения рака, чтобы вылечить...
25.10.2022
В 2013 году коллаборация IceCube сообщила об уникальном наблюдении. Его не могли объяснить почти 10...
25.10.2022
Примерно в 80-140 км от побережья в Намибии есть миллионы сказочных кругов — круглые промежутки в...
25.10.2022
Человек с мертвым мозгом, то есть с полным отсутствием мозговой активности, может казаться просто...
25.10.2022
Новое исследование показало, что всего шесть минут пассивно отслеживаемых данных о перемещениях в...
24.10.2022
Недалеко от Земли есть планета, известная как Проксима Центавра b. Возможно, там есть жизнь, но мы...
24.10.2022
Последнее в 2022 году Солнечное затмение произойдет 25 октября. Затмение будет частным, но в...
24.10.2022
К сожалению, в последнее время теория плоской Земли набирает популярность. «Хайтек» рассказывает,...
23.10.2022
Менее чем за 10 лет с момента секвенирования полного генома неандертальца, ученые узнали много о...
21.10.2022
Международная группа физиков впервые подтвердила важное теоретическое предсказание в квантовой...
21.10.2022
Ученые могут сделать квантовый мир реальностью, однако на их пути есть много препятствий. Одно из...
21.10.2022
Сейчас на Марсе работает несколько миссий. Его фотографируют, по поверхности планеты катаются...
20.10.2022
Ученые извлекли ДНК из останков людей, захороненных в чумных ямах, которые использовались для...
20.10.2022