Физики создали бескомпромиссный горячий кубит

Исследователям квантовых компьютеров обычно приходится выбирать: сделать стабильный кубит или быстрый. Международная группа ученых нашла способ создать кубиты, избавленные от этой необходимости.

От квантовых компьютеров ожидают технологического прорыва — они должны перевести вычисления на качественно более высокие показатели по скорости и сложности решаемых задач. Основа квантового компьютера — квантовый бит, кубит. В отличие от обычного, он может принимать не только значения «0» и «1», но и находиться одновременно в обоих, в суперпозиции. Именно это свойство обещает новую эру в науке и технике.

Ученые создают кубиты разными способами из множества материалов, а работают эти устройства на целой плеяде физических принципов. У всех есть общая проблема: либо они долго находятся в нужном для вычислений состоянии когерентности, либо кубитом можно быстро управлять.

Обычно исследователям приходится выбирать между быстротой управления квантовым компьютером и стабильностью его «квантовости». Физики впервые смогли настроить квантовый кубит так, чтобы одновременно увеличить и скорость его работы, и время когерентности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Команда под руководством профессора Доминика Цумбюля (Dominik Zumb?hl) создала кубит из полупроводниковой нанопроволоки, состоящей из германия с тонким слоем кремния на поверхности. Ученые удаляли электрон с одного из энергетических уровней этой проволоки, что приводило к образованию «дырки», квазичастицы с положительным зарядом. Свойства образовавшейся дырки позволяют узнать, на каком из энергетических уровней она образовалась — «высоком» или «низком».

Для такой системы команда теоретиков несколько лет назад предсказала механизм, позволяющий ускорить управление кубитом и одновременно продлить его состояние когерентности. Он работает на основе спин-орбитального взаимодействия. При нем движущаяся заряженная частица — электрон или дырка — создает магнитное поле. Это поле связывается со спином той же частицы и влияет на ее энергию. Для дырок в твердых телах такой эффект силен и может регулироваться электрическим полем.

Ученые применили теорию к созданным нанопроволокам. Они прилагали электрическое напряжение к созданной системе и смогли так регулировать место рождения дырки. В зависимости от напряжения дырки появлялись на низком, более высоком энергетическом уровне или их комбинации. При определенном соотношении роли энергетических уровней в создании дырки возникает плато. В этой зоне попытка ускорить работу кубита наоборот его замедляет.

На этом плато внешние источники шумов гораздо меньше влияют на кубит, чем при обычном спин-орбитальном взаимодействии. Это значит, что квантовые состояния разрушаются медленнее, а время когерентности увеличивается.

«Нам удалось увеличить время когерентности нашего кубита в четыре раза и при этом сделать управление втрое быстрее. А вместо сверхнизких температур менее 100 милликельвин, обычно необходимых для работы кубитов, здесь достаточно сравнительно „теплых“ 1,5 кельвина. Это требует меньше энергии и позволяет обходиться без редкого изотопа гелия-3», — рассказал доктор Мигель Х. Карбальидо (Miguel J. Carballido), первый автор исследования.

Пока метод плато работает только в нанопроволоках этой группы. В них дырки могут двигаться лишь в одном пространственном измерении. Однако авторы научной работы надеются, что этот подход удастся применить и к двумерным полупроводникам, и к другим видам кубитов. Это станет важным шагом на пути к созданию более мощных квантовых компьютеров.