Ученые МФТИ впервые показали считывание сверхпроводникового кубита компактным резонатором, площадь которого составляет около 200 х 200 мкм2, что в 10–20 раз меньше размеров повсеместно используемых для этой цели копланарных резонаторов. Этот размер соответствует стандартному размеру сверхпроводникового атома. Результат может быть использован при масштабировании сверхпроводящих квантовых схем. Разработка представлена в журнале Applied Physics Letters.
Для практического использования квантовых вычислений необходимо разместить как можно больше кубитов и считывающих резонаторов на единицу площади интегральной квантовой микросхемы. Сверхпроводниковые квантовые чипы необходимо охлаждать до очень низких температур в специальных «холодильниках» — криостатах растворения, полезное пространство которых ограничено. В типичных криостатах можно разместить чип с 100–1000 кубитами и сервисными линиями, количество которых, в свою очередь, зависит от топологии микросхемы. Сотрудникам лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ удалось существенно сократить размер самых крупных элементов схемы — резонаторов, служащих для считывания состояний.
Обычно для считывания кубита используется копланарный резонатор, размер которого достигает нескольких миллиметров и определяется длиной волны используемого для считывания сигнала. Однако если резонатор состоит из отдельных индуктивности и емкости, то размер этих компонентов при той же частоте может быть меньше длины волны. Именно резонатор этой конструкции был изготовлен и использован для считывания кубита.
«Нам удалось добиться компактности резонаторов с помощью разработанной нами технологии плоскопараллельных конденсаторов со значительной электрической емкостью на единицу площади. Мы смогли измерить колебания вероятности атома быть обнаруженным в возбужденном состоянии в зависимости от длительности управляющего импульса, что и свидетельствует о реализации считывания», — прокомментировала Юлия Зотова,соавтор работы, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
По словам ученых, альтернативные подходы предлагают использование резонаторов более сложной для расчетов формы. Их типичные размеры, однако, недостаточно малы (порядка 0,25 мм2). Технологии, связанные с формированием 3D-структур, уходящих вглубь подложки с кубитами, также могут позволить уменьшить размеры резонаторов, но очень сложны для использования в многокубитных процессорах.
Еще одним способом уменьшения размеров сверхпроводниковых квантовых систем является использование акустических резонаторов, в котором фононы взаимодействуют с кубитом. Данная работа также была выполнена в МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева несколько лет назад (почитать подробнее можно здесь https://nplus1.ru/news/2018/06/05/quantum-2d-phonon-cavity).
Результаты этих работ могут использоваться в дальнейшем при реализации планов по масштабированию многокубитных процессоров.
