Физики создают графеновые кубиты

Исследователи из Массачусетского технологического института впервые зафиксировали «временную когерентность» графенового кубита — то есть, как долго он может поддерживать особое состояние, позволяющее ему одновременно представлять две логических позиции. Исследователи говорят, что демонстрация, в которой использовался новый вид кубита на основе графена, представляет собой важный шаг вперед для практических квантовых вычислений.

Сверхпроводящие квантовые биты (или кубиты) — это искусственные атомы, которые используют различные методы для получения битов квантовой информации, фундаментального компонента квантовых компьютеров. Подобно традиционным двоичным схемам в компьютерах, кубиты могут поддерживать одно из двух состояний, соответствующих классическим двоичным битам, 0 или 1. Но кубиты также могут быть суперпозицией обоих состояний одновременно, что может позволить квантовым компьютерам решать сложные проблемы, которые практически невозможно решить с помощью традиционных компьютеров.

Время, в течение которого эти кубиты остаются в состоянии суперпозиции, называется их «временем когерентности». Чем дольше время когерентности, тем больше способность кубита вычислять сложные задачи.

Недавно исследователи внедрили материалы на основе графена в сверхпроводящие квантовые вычислительные устройства, которые обещают более быстрые и более эффективные вычисления, помимо прочих преимуществ. До сих пор, однако, не было зарегистрированной согласованности для этих продвинутых кубитов, поэтому не известно, пригодны ли они для практических квантовых вычислений.

В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи впервые демонстрируют когерентный кубит, изготовленный из графена и экзотических материалов. Эти материалы позволяют кубиту изменять состояния через напряжение, подобно транзисторам в современных традиционных компьютерных микросхемах. Более того, исследователи установили число для этой когерентности, увеличив его до 55 наносекунд, прежде чем кубит вернется в свое основное состояние.

Работа объединила опыт соавторов Уильяма Д. Оливера, профессора физики и сотрудника лаборатории Линкольна, чья работа сосредоточена на квантовых вычислительных системах, и Пабло Харилло-Эрреро, профессора физики из Массачусетского технологического института, который занимается исследованиями инноваций в графене.

«Наша мотивация состоит в том, чтобы использовать уникальные свойства графена для улучшения характеристик сверхпроводящих кубитов», — говорят ученые. «В нашей работе мы впервые показываем, что сверхпроводящий кубит, изготовленный из графена, является квантово-когерентным во времени, что является ключевым условием для построения более сложных квантовых цепей. Он являемся первым устройством, показывающим измеримое время когерентности — первичную метрику кубита — этого достаточно, чтобы люди могли его контролировать».

Бутерброд с графеном

Сверхпроводящие кубиты опираются на структуру, известную как «джозефсоновский контакт», где изолятор (обычно оксид) расположен между двумя сверхпроводящими материалами (обычно алюминием). В традиционных настраиваемых конструкциях кубита токовая петля создает небольшое магнитное поле, которое заставляет электроны перепрыгивать назад и вперед между сверхпроводящими материалами, заставляя кубит переключать состояния.

Но этот текущий ток потребляет много энергии и вызывает другие проблемы. Недавно несколько исследовательских групп заменили изолятор на графен, слой углерода толщиной в атом, который недорог в массовом производстве и обладает уникальными свойствами, которые могут обеспечить более быстрые и эффективные вычисления.

Чтобы создать свой кубит, исследователи обратились к классу материалов, называемых материалами Ван-дер-Ваальса — атомно-тонкими материалами, которые можно укладывать друг на друга, как конструктор Лего, практически без сопротивления или повреждений. Эти материалы могут быть сложены определенным образом для создания различных электронных систем. Несмотря на их почти безупречное качество поверхности, только несколько исследовательских групп когда-либо применяли материалы Ван-дер-Ваальса для квантовых цепей, и ни одна из них ранее не демонстрировала временной когерентности.

Для джозефсоновского перехода исследователи поместили слой графена между двумя слоями ван-дер-ваальсового изолятора, называемого гексагональным нитридом бора (hBN). Важно отметить, что графен приобретает сверхпроводимость сверхпроводящих материалов, которых он касается. Отобранные материалы Ван-дер-Ваальса могут быть использованы для возбуждения электронов с использованием напряжения вместо традиционного магнитного поля на основе тока. Таким образом, то же самое можно сказать о графене.

Когда напряжение подается на кубит, электроны отскакивают назад и вперед между двумя сверхпроводящими выходами, соединенными графеном, изменяя кубит с нуля (0) на возбужденное состояние или состояние суперпозиции (1). Нижний слой hBN служит подложкой для размещения графена. Верхний слой hBN герметизирует графен, защищая его от любых загрязнений. Поскольку материалы настолько защищены, бегущие электроны никогда не взаимодействуют с их дефектами. Это представляет идеальный «баллистический транспорт» для кубитов, где большинство электронов перемещается из одного сверхпроводящего материала в другой без рассеяния на примесях, что приводит к быстрой и точной смене состояний.

Как помогает напряжение

Работа может помочь решить проблему масштабирования кубита. В настоящее время на одном чипе может поместиться только около 1000 кубитов. Контроль кубитов, управляемых напряжением, будет особенно важен, когда миллионы кубитов начинают помещаться на одном чипе. «Без регулирования напряжения вам также понадобятся тысячи или миллионы токовых петель, и это займет много места и приведет к рассеиванию энергии», — говорят исследователи.

Кроме того, управление напряжением означает большую эффективность и более локализованное, точное нацеливание на отдельные кубиты на чипе без перекрестных помех. Это происходит, когда небольшая часть магнитного поля, создаваемого электрическим током, сталкивается с кубитом, на который он не нацелен, вызывая проблемы с вычислениями.

На данный момент у кубита исследователей короткое время жизни. Для справки, обычные сверхпроводящие кубиты, которые обещают практическое применение, показывают время когерентности в несколько десятков микросекунд, что в несколько сотен раз превышает время кубита исследователей.

Но ученые уже обращаются к нескольким проблемам, вызывающих этот короткий срок службы, большинство из которых требуют структурных изменений. Они также используют свой новый метод когерентного зондирования для дальнейшего изучения того, как электроны баллистически движутся вокруг кубитов, с целью расширения когерентности кубитов в целом.

Coherent control of a hybrid superconducting circuit made with graphene-based van der Waals heterostructures, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0329-2 , https://www.nature.com/articles/s41565-018-0329-2