Переключатель между пространственными каналами на чипе квантового процессора разработан командой молодых исследователей МФТИ с коллегами. Уникальность этого устройства определяют три факта: перестройка в широкой полосе частот — 4,8-7,3 ГГц, компактность — по занимаемой площади на чипе это 1–2 кубита (80 мкм на 420 мкм), а также максимальная рабочая мощность -80 дБм. Разработка представлена в журнале Physical Review Applied.
Квантовый переключатель. Фото пресс-службы МФТИ
Процессоры и вся другая цифровая логика основаны на транзисторах. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который включается с помощью электрического сигнала, подаваемого на затвор. Базовая структура классического процессора — это кремниевые транзисторы. В квантовом процессоре работает другая физика и используется совершенно другой вид переключателей.
Основное назначение квантового переключателя — управляемая маршрутизация фотонных сигналов на чипе. Это означает, что с помощью внешнего параметра можно выбирать, в какой канал из нескольких отправить конкретный сигнал. Простыми словами: переключатель — это аналог стрелки на железнодорожных путях. У самого поезда нет руля, как и у летящих фотонов, и управлять их движением можно переключением «стрелки».
Именно такое устройство — квантовый переключатель — разработано физиками лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ совместно с учеными из Японии. С помощью созданного узла можно значительно увеличить «транспортные» возможности схемы процессора. Переключатель позволяет сократить его размеры и необходимое число линий для конкретного эксперимента — ведь больше не нужно дублировать большие пути на чипе с небольшими отличиями. Такой способ упрощения в первую очередь необходим при разработке сложных многокубитных квантовых процессоров, ведь волноводов в таких схемах больше, чем самих кубитов. С их ростом топология схемы становится все сложнее и сложнее.
Основное достижение коллектива — реализация волновода с замедленной скоростью распространения сигнала.
Юлия Зотова, первый автор исследования, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Фото пресс-службы МФТИ
«По сравнению с традиционно используемыми копланарными волноводами скорость распространения сигнала в нашей системе почти на два порядка ниже. Это позволило перейти в модель сосредоточенных элементов, в которой характерный размер одной ячейки много меньше длины волны. Основное препятствие для создания таких волноводов — необходимость большой электрической емкости, которая должна занимать пространство на чипе. Это удалось реализовать с помощью специально разработанной технологии изготовления диэлектриков с большим коэффициентом диэлектрической проницаемости. В процессе изготовления в диэлектрике создаются вкрапления металла, которые увеличивают диэлектрическую проницаемость и, как следствие, электрическую емкость при той же площади конденсатора», — рассказала Юлия Зотова, соавтор исследования, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
Ученые индуктивно связали два волновода с замедленной скоростью распространения с помощью цепочки СКВИДов. (SQUID, superconducting quantum interference device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр», сверхчувствительный магнитомер для измерения сверхслабых магнитных полей).
«Индуктивность такой цепочки может быть перестроена с помощью внешнего магнитного поля, которое можно реализовать внешней катушкой или индуктором на чипе и поданным на них током. Меняя внешнее магнитное поле, мы меняем индуктивность цепочки СКВИДов и эффективную силу связи между волноводами. Когда связь становится достаточно сильной, сигнал проникает из одного канала в другой на определенной частоте. Таким образом, мы можем реализовывать любое соотношение сигналов на выходе для любой частоты из рабочего диапазона 4,8–7,3 ГГц», — добавил Александр Семенов, соавтор исследования, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
Что касается аналогов устройства — нужно учесть, что они ограничены теми условиями, в которые помещены сверхпроводниковые квантовые процессоры: работа при низких температурах на чипе небольшого размера (не более 2 см на 2 см) в микроволновых диапазонах частот — 1–10 ГГц. Это означает, что устройство не должно выделять тепло, его должно быть возможно изготовить на чипе, причем технологиями, совместимыми при изготовлении чипов со сверхпроводниковыми схемами. В то же время оно должно быть компактным, быстро переключаться, а также работать в широкой полосе частот.
Известные зарубежные и российские аналоги, как правило, имеют хотя бы один из перечисленных далее недостатков: устройство либо медленное, либо усложняет процесс изотовления схемы; работает в узкой и неперестраиваемой полосе частот; имеет прекрасные характеристики, однако размер на чипе колоссален для масштабов сверхпроводниковых квантовых систем. Созданный переключатель является первым в мире устройством, лишенным всех перечисленных недостатков.
По словам разработчиков, переключатели будут востребованы не только в кубитной тематике, но и в линейных схемах экспериментов по квантовой оптике, где требуется большое число волноводов и делителей пучка. Следует отметить, что новый переключатель может работать также в режиме делителя в произвольном соотношении.
На данном этапе группа продемонстрировала работу одного устройства. В планах исследование синхронной работы нескольких таких устройств на чипах сверхпроводниковых квантовых процессоров с целью упрощения сложных схем.
