И показала, как его измерять
Исследователи из компании Microsoft разработали метод измерения топологических кубитов и продемонстрировали его на кубите из топологического сверхпроводника. Они провели серию точных экспериментов с низким уровнем шума и смогли сузить набор возможных состояний до майорановской нулевой моды. Работа опубликована в журнале Nature.
Семь лет назад Microsoft пообещала представить первый в истории топологический кубит для защищенных квантовых вычислений, который не требует кодов коррекции и устойчив к шумам. Главная задача была непростой и состояла в поиске майорановских нулевых мод, а в работах по их поиску находились ошибки и статьи отзывали. Подробно обо всей этой истории мы писали в материале «Наплели моду».
Для создания топологических кубитов и управления их состоянием важно уметь изменять и измерять топологический заряд, который и сигнализирует о состоянии кубита. В простейшем случае можно свести все операции к операции слияния и использовать протокол вычислений, основанный только на измерениях. Этого будет достаточно для того, чтобы осуществить любую из топологических операций.
Среди платформ для создания топологических кубитов одной из самых перспективных считаются одномерные топологические сверхпроводники. Они представляют собой нанопроволоки из сверхпроводника, на концах которых локализованы майорановские нулевые моды, а за состояние кубита отвечает их фермионная четность. При этом измерять ее важно не за какое-то усредненное время, а с высоким временным разрешением.
Физикам из Microsoft удалось реализовать такое временное измерение и удостовериться в том, что основной элемент для топологических квантовых вычислений работает корректно. Они добились оптимального времени измерения и низкой ошибки — порядка одного процента.
Структура, которую авторы использовали для измерений, состоит из двух частей: сверхпроводниковой нанопроволоки и полупроводниковых квантовых точек, которые образуют интерференционную петлю. Помимо сверхпроводника нанопроволока имеет управляемые затворы, которые позволяют подстраивать подаваемое напряжение. А помимо основной квантовой точки (на общей схеме она более вытянутая), в итоговом устройстве есть еще две по бокам — они тоже позволяют делать измерение и управление более точным.
Петлю, которая соединяет нанопроволоку и основную квантовую точку, пронизывает магнитный поток, управлять которым можно с помощью внешнего магнитного поля. В эксперименте ученые меняли продольную составляющую поля и следили за изменением квантовой емкости (ее значение связано со значением магнитного потока). При настройке затворов квантовой точки в состояние, близкое к резонансу, они обнаружили переключение между двумя значениями емкости — гистограмма по большому числу измерений имела бимодальный вид (состояла из двух пиков). Эти же данные позволили определить соотношение сигнал-шум (5 при усреднении за 90 микросекунд) и сравнить интервалы переключения с ожидаемыми.
Для детального сравнения экспериментальных результатов физики смоделировали полную модель устройства с тремя квантовыми точками и учли некогерентное взаимодействие с окружающей средой. Помимо сравнения с моделью и проведения дублирующих измерений, они протестировали такое же второй устройство и показали воспроизводимость наблюдаемых величин.
Несмотря на то, что авторское измерение не позволяет однозначно различать майорановские нулевые моды от ближайших к ним состояний (низкоэнергетические состояния Андреева), оно сильно ограничивает природу состояния.
Помимо одномерных топологических сверхпроводников, новые явления обнаруживаются и в двумерных. Например, они могут обеспечить идеальное туннелирование, получаться превращением из топологического изолятора. А обнаружить сверхпроводимость можно и в материалах на основе железа.