Электрическая схема всей двухкубитной системы. Этот рисунок является основой для построения полной математической модели (Гамильтониана), которая описывает квантовое поведение всей системы. Кресты обозначают джозефсонские переходы.
Источник: Elena Yu. Egorova et al. / Physical Review Applied, 2025
Коллектив ученых из Российского квантового центра, МИСИС и МФТИ разработал и испытал новый фундаментальный строительный блок для масштабируемых квантовых процессоров. Его архитектура, состоящая из двух сверхпроводниковых кубитов и настраиваемого трехмодового соединителя — каплера (coupler), — позволяет выполнять двухкубитные операции с высокой скоростью и точностью. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied, а препринт работы выложен в репозитории Корнеллской библиотеки.
Кубиты — это квантовые аналоги битов, способные находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в их суперпозиции. Для выполнения вычислений кубиты должны взаимодействовать друг с другом, вступая в своего рода диалог. Этот диалог управляется с помощью квантовых вентилей — аналогов логических операций в классических компьютерах. Создание быстрых и точных двухкубитных вентилей является одной из самых сложных задач в квантовых технологиях. Проблема в том, что кубиты — чрезвычайно хрупкие объекты. Любое нежелательное взаимодействие, даже самое незначительное, может привести к ошибкам в вычислениях. Это явление похоже на эхо в концертном зале: если один инструмент звучит слишком громко или не вовремя, он мешает другим, и гармония нарушается. В мире сверхпроводниковых квантовых процессоров одной из таких помех является так называемое остаточное ZZ-взаимодействие, которое присутствует тогда, когда кубиты должны быть полностью изолированы друг от друга.
Именно эту проблему и взялся решить коллектив российских физиков. Их цель состояла в том, чтобы спроектировать 8-кубитный процессор. Для этого исследователи разработали новую архитектуру, состоящую из двух сверхпроводниковых трансмонных кубитов и соединяющего их инновационного трехмодового элемента связи, или каплера (coupler). Каплер, выполненный в виде копланарного волновода со встроенным сверхпроводящим квантовым интерферометром (СКВИД) в центре, стал сердцем устройства. СКВИД, по сути, является перестраиваемым контуром, чувствительным к подаваемому напряжению, что позволяет использовать его как сверхточную ручку настройки для управления силой взаимодействия между кубитами.
(a) общий вид двухкубитной системы. (b) ключевые наноразмерные элементы; (с) электрическая схема и принцип работы трехмодового элемента связи; (d) изменение энергетических уровней каплера в зависимости от внешнего напряжения
Elena Yu. Egorova et al. / Physical Review Applied, 2025
Суть эксперимента заключалась в том, чтобы сравнить, как меняется населенность (и, соответственно, результат измерения) кубита B в зависимости от того, в каком состоянии находится кубит A. Разница частот осцилляций двух этих измерений и есть искомая сила ZZ-взаимодействия.
В ходе эксперимента ученые продемонстрировали, что их архитектура позволяет выполнять нативную двухкубитную операцию CZ (управляемое Z) за 60 наносекунд. Точность, или как говорят физики, достоверность операции, превысила 98%.
Схема измерения ZZ-взаимодействия. (a) схема импульсной последовательности при измерениях осцилляций Рамзея в эксперименте; (b) и (c): результаты Рамзеевских осцилляций, «сырые» экспериментальные данные; (d) зависимость ZZ-взаимодействия от амплитуды управляющего импульса.
Источник: Elena Yu. Egorova et al. / Physical Review Applied, 2025
«Основная трудность при создании многокубитных процессоров — это баланс между сильным взаимодействием, необходимым для быстрых операций, и слабым остаточным взаимодействием в режиме ожидания, — говорит первый автор новой статьи Елена Егорова, выпускница Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ. — Предложенный трехмодовый каплер позволяет добиться широкого диапазона перестройки связи между кубитами, при этом он значительно менее чувствителен к неизбежным погрешностям параметров при изготовлении, чем большинство других существующих подходов. Описанная двухкубитная система является составной частью сверхпроводникового 8-кубитного процессора, на котором был выполнен ряд успешных экспериментов, включая алгоритм детектирования квантовых ошибок».
Ключевая особенность предложенного соединителя заключается в его устойчивости к несовершенствам производства. Многие предыдущие конструкции требовали создания джозефсоновских переходов — ключевых элементов сверхпроводниковых цепей — с очень точным и контролируемым различием в параметрах, что является сложной технологической задачей. Новая трехмодовая схема не имеет такой строгой зависимости от асимметрии переходов, что значительно упрощает ее воспроизводимое изготовление и открывает дорогу к созданию более крупных и стабильных квантовых процессоров.
Схема экспериментальной установки
Источник: Elena Yu. Egorova et al. / Physical Review Applied, 2025
Ученые не только создали и измерили устройство, но и построили его полную численную модель, которая показала отличное совпадение с экспериментальными данными. Моделирование также предсказало, что при дальнейшей оптимизации параметров и процессов изготовления точность двухкубитных операций на основе этого элемента может быть доведена до 99,97%. Разработка была использована для создания 8-кубитного квантового процессора.
Научная статья: Elena Yu. Egorova, Alena S. Kazmina, Ilya A. Simakov, Ilya N. Moskalenko, Nikolay N. Abramov, Daria A. Kalacheva, Viktor B. Lubsanov, Alexey N. Bolgar, Nataliya Maleeva, and Ilya S. Besedin, Three-mode tunable coupler for superconducting two-qubit gates, Physical Review Applied, Vol. 23, 064056 (2025), https://doi.org/10.1103/2h4m-mg2p.
