Радиация уменьшила устойчивость сверхпроводящих кубитов

Американские физики показали, что ионизирующее излучение от космических лучей и радиоактивных материалов в окружающей среде может ограничить время когерентности сверхпроводящих кубитов. Исследователи показали, что радиация приводит к разрушению куперовских пар в сверхпроводнике и сокращает время жизни квантовых состояний, а радиационная защита увеличивает устойчивость системы. В будущем борьба с ионизирующим излучением должна помочь в создании отказоустойчивых сверхпроводящих квантовых компьютеров, пишут ученые в журнале Nature.

Квантовые компьютеры потенциально могут справляться с целым рядом задач на порядки быстрее, чем даже самые мощные существующие суперкомпьютеры. В то время как обычные компьютеры основаны на простых битах, квантовые устройства состоят из связанных кубитов (квантовых битов), и именно стабильность последних — главная проблема в таких системах. Дело в том, что квантовые состояния крайне неустойчивы и легко разрушаются, поэтому основная характеристика кубитов — это время когерентности, или же их «время жизни». Чем дольше «живут» кубиты, тем более длительные, сложные и интересные вычисления могут выполнить квантовые компьютеры.

Сами кубиты можно создавать на основе разных физических объектов, но одними из самых перспективных на сегодняшний день считаются сверхпроводящие кубиты на базе контакта Джозефсона. Такой контакт представляет собой два слоя сверхпроводящего металла, разделенные тонким слоем диэлектрика, между которыми, тем не менее, протекает ток. Происходит это из-за квантового эффекта туннелирования, в котором куперовские пары (по два спаренных электрона, которые переносят заряд в сверхпроводнике) переходят из одного слоя металла в другой сквозь диэлектрический барьер.

Время когерентности сверхпроводящих кубитов сильно зависит от концентрации рождающихся в кубите квазичастиц, которые уносят из системы энергию и приводят к ее декогеренции — потере квантового состояния. Основной источник таких квазичастиц в сверхпроводящем металле — распавшиеся куперовские пары. Способствовать распаду последних может ионизирующее излучение: под его воздействием в металле рождаются пары электрон-дырка, которые провоцируют в сверхпроводнике каскадные процессы с вторичной ионизацией и рождением фотонов. Эти процессы и приводят к появлению квазичастиц и способствуют постепенному разрушению квантового состояния.

Антти Вепсяляйнен (Antti Vepsäläinen) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами впервые численно показал, какую именно роль играет радиация в декогеренции сверхпроводящих кубитов. Для этого авторы облучали два сверхпроводящих кубита от нестабильного изотопа меди в течение 400 часов. Все это время исследователи следили за темпом потери энергии кубитов, который напрямую связан с временем жизни квантового состояния. Его значение к концу эксперимента оказалось в шесть раз меньше, чем в начале, а произошло это из-за уменьшения радиации источника за счет его постепенного распада.

Чтобы использовать данные, полученные в эксперименте с искусственным источником радиации, для оценки влияния фонового излучения авторы создали симуляцию радиационного воздействия на образец с помощью инструментария Geant4. Его физики часто используют для планирования экспериментов на ускорителях элементарных частиц и моделировании радиационного воздействия на материалы. С помощью Geant4 ученые сопоставили спектр излучения изотопа меди с фоновой радиацией и определили, какая мощность ионизирующего излучения поступает в образец за счет различных источников радиации в окружающей среде. Оказалось, что 60 процентов радиации идет от бетонных стен лаборатории, а оставшиеся 40 — от космических лучей.

По полученным данным физики вычислили плотность квазичастиц в металле в нормальных условиях (при увеличении плотности квантовое состояние тоже разрушается): она оказалась равной 7 × 10⁻⁹, что сошлось с данными других экспериментов. Затем ученые попробовали изолировать кубиты от излучения с помощью радиационных щитов, используемых в экспериментах по поиску темной материи и осцилляций нейтрино. Так им удалось уменьшить темп потери энергии кубитов за счет радиации на 18 процентов, однако, с учетом других источников потерь, таких как колебания температуры и внутренние дефекты материалов в кубите, улучшение во времени когерентности было не больше 0,2 процента.

Авторы отметили, что полученные результаты важны в первую очередь как экспериментальное подтверждение влияния радиации на кубиты и численная оценка плотности возникающих из-за излучения квазичастиц. Ученые вычислили и максимальное время когерентости кубитов без радиационной защиты — четыре миллисекунды. Пока что такие показатели недостижимы для сверхпроводящих кубитов, однако в будущем для создания по-настоящему стабильных систем исследователям придется научится бороться с ионизирующим излучением.

Ранее физики уже научились считывать информацию с сверхпроводящих кубитов с помощью акустических волн, а совсем недавно ученым удалось достигнуть времени когерентности твердотельных спиновых кубитов в десятки миллисекунд. Больше про квантовые вычисления и физику в основе квантовых компьютеров можно почитать в наших материалах «Квантовая азбука».

Никита Козырев