Заработал первый российский кубит

Исследователи под руководством Олега Астафьева (МФТИ, в частности, Лаборатория искусственных квантовых систем при участии Технологического центра ), Алексея Устинова (Российский квантовый центр и МИСиС) и Валерия Рязанова (из Института физики твердого тела РАН) впервые смогли создать сверхпроводящий кубит в российской лаборатории.

Созданный объект состоит из четырех джозефсоновских контактов, выполненных в виде петли микронных размеров (микрон равен 1 000 нанометров), в которой есть четыре очень небольших разрыва по два нанометра каждый.

Сама петля сделана из типичного металла-проводника (алюминий), а тонкие зазоры в ней заполняет диэлектрик (оксид алюминия). Главное свойство таких переходов заключается в том, что из-за явления туннелирования через эти разрывы протекает сверхпроводящий ток. Для ввода в рабочее сверхпроводящее состояние вся конструкция охлаждается до температур в десятки тысячных кельвина. Роль ноля и единицы в таком кубите выполняет незатухающий ток, бегущий по сверхпроводящему кольцу или по часовой стрелке или против нее соответственно.

Однако специфика кубита состоит в том, что в отличии от транзисторов обычной электроники он может иметь значение не только чистого ноля или единицы. Дело в том, что после охлаждения жидким гелием до температур в десятки тысячных кельвина и наступления сверхпроводимости у петли (кубита) наступает такое состояние, когда направление течения тока может спонтанно изменяться с одного на другое с некоторой вероятностью. Поэтому в каком-то смысле в кубите ток течет сразу и по и против часовой стрелки. В квантовой механике про такую ситуацию говорят, что в кубите наблюдается суперпозиция обоих состояний. В этом случае его полное состояние как объекта можно описывать парой комплексных чисел, сумма квадратов которых равна единице.

Чтобы удостовериться, что созданный ими кубит действительно демонстрирует такую суперпозицию, ученые провели его неразрушающее измерение — пропустили через него микроволновое излучение, а затем замерили фазовый сдвиг фотонов этого изучения. Сдвиг вызывает некоторое изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность находящейся рядом с ним измерительной цепи. Изменение индуктивности соседней цепи исследователи могут зарегистрировать уже без боязни нарушить квантовое состояние самого кубита (поэтому такое измерение и называют неразрушающим). В данном случае оно показало, что кубит действительно находится в суперпозиции двух состояний.

Как отмечает Алексей Устинов из Российского квантового центра, «наша работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров.»

Кубит является основным функциональным элементом квантовых компьютеров так же, как бит — обычных. Название квантовые такие вычислительные машины получили потому, что для работы они используют явления и эффекты квантовой механики на уровне алгоритмов и функциональных элементов. При этом вычисления носят не детерминированный, а вероятностный характер: типичный квантовый алгоритм дает решение какой-либо задачи с некоторой вероятностью. В некоторых задачах, например, биологического моделирования и теории чисел квантовые алгоритмы значительно быстрее своих классических аналогов.

Однако по построению множество разрешимых на квантовом и обычном компьютерах совпадают, то есть с появлением квантовых компьютеров число алгоритмически разрешимых задач не увеличится.

Ранее в 2013 году ученые из Российского квантового центра и Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС под руководством профессора Алексея Устинова впервые в России произвели измерение кубита. В тот раз использовался кубит изготовленный в Германии, поскольку на тот момент возможностей для его создания в нашей стране не было. Параллельно работе над классическими кубитами в последние годы группа Валерия Рязанова в ИФТТ ведет разработку кубитов нового типа, позволяющих использовать так называемые сверхпроводящие фазосдвигатели, устройства, которые представляют собой джозефсоновские переходы на основе «сверхпроводник ― ферромагнетик ― сверхпроводник», также известные как пи-контакты.