Персональный квант. Кубит уменьшили в 100 раз.

Источник. 

Сверхпроводящие кубиты, ­­которые подобно транзисторам в классическом процессоре играют роль строительных блоков квантового компьютера, хоть и являются сегодня приоритетным направлением развития вычислительной техники, всё же уступают тем же транзисторам по многим показателям. Один из таких аспектов – размер, как бы банально это ни звучало. Если полупроводниковые триоды удалось уменьшить до нанометров, то восхитительные сверхпроводящие кубиты пока что измеряются всё-таки в миллиметрах. Это, кстати, одна из тех базовых причин, которые не позволяют вам купить квантовый смартфон – в таком виде устройство просто не сможет обеспечить равноценные вычислительные мощности, достаточные для обыденного применения.

«Прямо сейчас у нас может быть 50 или 100 кубитов в устройстве, но для практического использования в будущем нам потребуются тысячи или миллионы кубитов в устройстве. Поэтому очень важно уменьшить размер конструкции каждого отдельного кубита и в то же время избежать нежелательных перекрёстных помех между этими сотнями тысяч кубитов», – говорит один из ведущих авторов исследования Джоэл Ван, научный сотрудник группы инженерных квантовых систем Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

Итак, для создания сверхпроводящих кубитов применили сверхтонкие материалы. Полученные образцы оказались не только меньше в размерах, но и менее подвержены интерференции между соседними кубитами. Вероятно, этот прогресс окажет немалое влияние на производительность квантовых компьютеров и позволит вести разработку квантовых устройств меньшего размера, но давайте по порядку.

Исследователи продемонстрировали, что гексагональный нитрид бора (hBN) – материал, состоящий всего из нескольких монослоёв атомов, – может быть просто сложен для формирования изолятора в конденсаторах на сверхпроводящем кубите. 

«Это один из очень немногих найденных нами материалов, которые можно использовать в конструкциях такого типа», – говорит Ван.

Однако этот «бездефектный бор» позволяет применять конденсаторы, намного меньше аналогов, обычно используемых в кубите, что уменьшает общую площадь последнего без значительного ущерба для производительности. Кроме того, расчёты показывают, что структура этих меньших ёмкостей должна значительно уменьшить перекрёстные помехи, возникающие из-за непреднамеренного влияния одного кубита на окружающих собратьев.

Проблемы с кубитами

Однако не всё так просто. Сверхпроводящие кубиты – как особый вид платформы квантовых вычислений со сверхпроводящими схемами, – имеют в своей цепи катушки индуктивности и конденсаторы. Это обычные элементы, повсеместно применяемые в электротехнике и радиоэлектронике. Конденсаторы призваны накапливать энергию электрического поля (потому в электротехнике их нередко называют ёмкостями). Это всё, что они делают, представляя собой некое подобие бутерброда с металлическими пластинами по обе стороны от изолирующего или диэлектрического материала.

Но, в отличие от радиотехники, сверхпроводящие квантовые компьютеры работают при сверхнизких температурах: менее 0,02 градуса выше абсолютного нуля или -273,15 градуса Цельсия. Кроме того, они имеют очень высокочастотные электрические поля, подобные сегодняшним сотовым телефонам. Большинство изоляционных материалов, работающих в этом режиме, имеют дефекты. Хотя это и невредно для большинства классических приложений, тем не менее, при прохождении в таких условиях квантово-когерентной информации через диэлектрический слой, она может быть потеряна или поглощена каким-то случайным образом.

«Большинство распространённых диэлектриков, используемых для интегральных схем, таких как оксиды кремния или нитриды кремния, имеют множество дефектов, что приводит к коэффициенту качества от 500 до 1000. Это просто слишком большие потери для приложений квантовых вычислений», – говорит старший автор исследования Уильям Д. Оливер, профессор электротехники, компьютерных наук и физики, научный сотрудник лаборатории Линкольна в MIT, директор Центра квантовой инженерии и заместитель директора Исследовательской лаборатории электроники.

Чтобы обойти эти недостатки, обычные кубитные конденсаторы делают несколько видоизменёнными – то есть без верхней пластины и вакуума над нижней, работавшего как изолирующий слой.

«Цена, которую приходится платить, заключается в том, что пластины намного больше, потому что вы разбавляете электрическое поле и используете гораздо больший слой для вакуума, — говорит Ван. – Размер каждого отдельного кубита будет много больше, чем если бы вы могли вместить всё в маленьком устройстве. И другая проблема – это, когда у вас есть два кубита рядом, и каждый имеет своё собственное электрическое поле, открытое для свободного пространства. Между ними может возникнуть нежелательный разговор, который может затруднить управление всего лишь одним кубитом. Хотелось бы вернуться к первоначальной идее конденсатора, представляющего собой всего лишь две электрические пластины с очень чистым изолятором, зажатым между ними».

Это и было сделано.

Исследователи предположили, что, будучи членом семейства ван-дер-ваальсовых материалов, известных двумерностью своей структуры, гексагональный нитрид бора окажется хорошим кандидатом для создания конденсатора. Во-первых, этот на самом деле уникальный материал может быть утончён до одного слоя атомов, который бы не только имел кристаллическую структуру, но и не содержал дефектов. Во-вторых, после истончения его можно складывать в нужные конфигурации.

Что ж, идея нуждалась в проверке. Чтобы определить, насколько материал чист при взаимодействии с высокочастотным электрическим полем при сверхнизких температурах, были проведены эксперименты, обнаружившие, что при прохождении через материал теряется очень мало энергии.

«Большая часть предыдущей работы, характеризующей hBN, была выполнена на нулевой или близкой к нулю частоте с использованием измерений передачи постоянного тока. Однако кубиты работают в гигагерцовом режиме. Приятно видеть, что конденсаторы hBN имеют добротность, превышающую 100 000 на этих частотах, среди самых высоких показателей Q-фактора, которые я видел для литографически определенных, интегрированных конденсаторов с параллельными пластинами», — говорит Оливер.

Конструкция

Команда использовала находку для создания плоскопараллельного конденсатора для кубита. Чтобы его изготовить, они поместили однослойный материал между очень тонкими слоями другого материала Ван-дер-Ваальса – диселенида ниобия.

Сложный производственный процесс включал подготовку одноатомных слоёв под микроскопом с последующим захватом каждого слоя и укладки его поверх другого с помощью липкого полимера: его помещали на стопке двумерных материалов, к нему прилипал один слой и так осуществлялся перенос на схему кубита, а затем полимер расплавляли и смывали с поверхности. Далее конденсатор подключили к конструкции кубита и охладили её до 20 милликельвинов (-273,13°С).

«Одной из самых больших проблем производственного процесса является работа с диселенидом ниобия, который окисляется за секунды на воздухе. Чтобы избежать этого, вся сборка этой конструкции должна выполняться в так называемом перчаточном ящике – большом коробе, наполненном аргоном, инертным газом с очень низким содержанием кислорода. Мы должны были делать всё внутри этого ящика», – рассказывает Ван.

А теперь самое приятное: новый кубит получился примерно в 100 раз меньше, чем тот, что был сделан традиционными методами на том же чипе, а время его когерентности (или время жизни кубита) всего на несколько микросекунд короче. И всё благодаря новой конструкции. К тому же конденсаторы из гексагонального нитрида бора содержат более 90 процентов электрического поля между верхней и нижней пластинами, что позволяет предположить значительное подавление перекрёстных помех между соседними кубитами.

И хоть Джоэл Ван сам говорит об этом последнем выводе, но это, всё же, лишь теория. Так что в будущем исследователи хотят с помощью своего метода создать множество кубитов на чипе, чтобы убедиться, что новый способ действительно снижает эти самые перекрёстные помехи. Также команда продолжит поиски решений по улучшению производительности кубитов за счёт точной настройки процесса изготовления его компонентов или даже создания всего кубита из 2D-материалов.

«Мы расчистили путь, чтобы показать, что вы можете безопасно использовать столько гексагонального нитрида бора, сколько хотите, не слишком беспокоясь о дефектах. Это открывает много перспектив, когда вы можете создавать всевозможные гетероструктуры и комбинировать их с СВЧ-схемами, и появилось гораздо больше сфер для ваших исследований. В некотором смысле, мы даём людям зелёный свет: вы можете использовать этот материал как хотите, не слишком беспокоясь о потерях, связанных с диэлектрическими свойствами», – заключает Ван.

АРМК, по материалам Phys.org