Ученые из Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Российского квантового центра, МИСиС и ИФТТ РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит — основной элемент будущих квантовых компьютеров, которые смогут превзойти самые мощные современные суперкомпьютеры. Основная часть работ по созданию устройства была выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования МФТИ.
Квантовые биты или кубиты — главный составной элемент будущих квантовых компьютеров, которые работают благодаря эффектам квантовой физики. Они смогут выполнять вычисления, которые недоступны даже самым мощным современным компьютерам. Как считают ученые, квантовые компьютеры позволят совершить следующий большой скачок в области вычислений.
Кубит под электронным микроскопом с увеличением в 16 тысяч раз © Ivan Khrapach / RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics
Элементы классических компьютеров могут хранить только один бит: 1 или 0. Кубиты — это квантовые объекты, которые могут находиться в суперпозиции двух состояний, то есть кодировать сразу логическую единицу и ноль, что создает принципиально новые возможности для обработки информации. Компьютер из нескольких тысяч кубитов может легко превзойти мощнейшие современные суперкомпьютеры в решении целого ряда вычислительных задач.
В роли кубитов могут выступать атомы или электроны, данные кодируются в их спине (магнитном моменте). Однако такие кубиты крайне неустойчивы ко внешним воздействиям, их состояние легко разрушается из-за внешних «шумов», процедура считывания и записи информации на них крайне сложна, как и ловушки, которые используются для их хранения.
В начале 2000-х годов ученые обнаружили, что можно создавать «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но значительно проще в использовании. Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты, состоящие из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут «просачиваться» (туннелировать) сквозь диэлектрик.
Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, ведут себя как атомы. Они могут находиться в основном и возбужденном состоянии, излучать и поглощать фотоны. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано современное производство микросхем.
Теперь такой кубит впервые создан в России. Это удалось сделать сотрудникам Лаборатории искусственных квантовых систем (ИКС) Междисциплинарного центра фундаментальных исследований МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева совместно с Центром коллективного пользования МФТИ. В эксперименте также участвовали сотрудники Лаборатории сверхпроводящих квантовых цепей Российского квантового центра (РКЦ) под руководством профессора Алексея Устинова и Лаборатории сверхпроводимости Института физики твердого тела (ИФТТ) РАН под руководством профессора Валерия Рязанова.
Оборудование для получения кубита © Ivan Khrapach / RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics
Благодаря новейшему литографическому оборудованию, установленному в МФТИ, ученым удалось создать шесть кубитов микронного размера. Каждый из них состоит из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон. Сами контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров.
Созданный специалистами МФТИ кубит был затем перевезен в лабораторию РКЦ, где эта работа была завершена, после чего были проведены измерения: ученые прозондировали устройство микроволновым излучением и определили, что его свойства соответствуют заданным параметрам.
«Мы создали инструмент, средство для проведения дальнейших исследований в области квантовых вычислений. С его помощью мы сможем достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире», — отметил Олег Астафьев.
«Наша работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров», — добавил Алексей Устинов.
Ранее группа под руководством Устинова в МИСиС при участии РКЦ измерила кубит, который был создан в Германии. Теперь ученые получили собственно российский кубит.
