Телепортация существует

В предыдущей серии:

• битва физических платформ для квантовых процессоров;


• как открыли квантовые биты и зачем нужны квантовые алгоритмы.

^{Различные виды кубитов, пришедшие на смену зарядовому кубиту}

Наглядная модель джозефсоновского перехода

Работающие вместе сотни кубитов — пока еще мечта, хотя уже не такая далекая. Источник: D-Wave Systems, Inc

Кубиты (квантовые биты) — мельчайшие частички квантовой информации — стали объектом пристального внимания ученых с 80‑х годов прошлого века благодаря возможности использовать их для исполнения квантовых алгоритмов, обещавших невиданный выигрыш в скорости решения определенного класса задач — то есть для создания необычайно быстрого суперкомпьютера. Пока теоретики разрабатывали алгоритмы, экспериментаторы находились в поисках физических объектов — «платформ», на которых бы «жили» кубиты. Было перепробовано много чего: от электронов и фотонов до атомов и ионов. Но особое место занимали структуры из сверхпроводника, размером несколько микрометров, со специальными разрывами, называемыми джозефсоновскими переходами.

Что представляет собой такой переход? В простейшем случае — это два слоя сверхпроводника, разделенные тонкой прослойкой диэлектрика, которая превращается для несущихся по сверхпроводнику пар электронов в своеобразный барьер, преодолеть который не так-то просто. Здесь на помощь приходит такое свойство микромира, как возможность туннелировать — то есть не перескакивать через барьер, а просто с довольно большой вероятностью оказаться на другой его стороне. В привычном нам мире этот эффект полностью отсутствует — из-за гигантских размеров и массы окружающих нас вещей, что делает, к примеру, вероятность внезапно оказаться по другую сторону входной двери несбыточной. Что же касается электронных пар, то для них туннелирование не представляет особой сложности. Это качество и привело к созданию сверхпроводящих кубитов («искусственных атомов»). Дело осталось действительно за малым, даже микроскопическим, — создать такие переходы.

Исследователи воспользовались имеющимся опытом создания маленьких элементов на чипе с помощью процесса литографии — «рисования» нужной нам схемы на нужной поверхности. Способа два: фотолитография (для «рисования» (или засветки) используется узкий пучок света (фотонов) от лазера) и электронная (используется пучок быстрых электронов). Минимальный размер элементов, которые можно нарисовать фотолитографией, составляет около 1 микрометра (в 100 раз тоньше человеческого волоса), а электронной литографией — до 10 нанометров (еще в 100 раз меньше). Но для того чтобы получить хорошо работающие кубиты, необходимо было научиться создавать джозефсоновские переходы с размерами порядка нескольких сотен нанометров.

Первой столь грандиозную задачу решила японская научная группа из лабораторий компании NEC, которая в 1997 году смогла создать маленький сверхпроводящий островок из алюминия, отделенный от окружающего мира джозефсоновскими переходами малой площади. Для этого они воспользовались техникой, придуманной физиками Юргеном Ниемайером и Геральдом Доланом и названной методом «теневого напыления». Суть: на поверхности образца, покрытого двумя слоями резиста (специального вещества, меняющего свои свойства при попадании на него света или пучка электронов), с помощью литографии «рисуется» нужная структура (обыкновенно включающая в себя узкий участок — «мостик»), затем последовательно проявляются оба слоя резиста. Все это напоминает пленочную фотографию, однако в нашем случае второй слой резиста необходимо перепроявить, чтобы создать достаточную выемку для последующего напыления тонких слоев металла. В итоге получается висящий в воздухе «мостик» (закрепленный, само собой, на концах), через который под двумя углами напыляется тонкая пленка сверхпроводника.

Далее — окисление одного из металлических слоев перед повторным напылением, что как раз создает описанный выше изолирующий барьер в джозефсоновском переходе. Так как в поставленном японцами эксперименте в качестве квантового состояния кубита использовалось число электронных пар, находящихся на изолированном «островке» (которые могли туннелировать на него с подведенных электродов и обратно), такой тип кубита стали называть «зарядовым».

Через некоторое время о создании подобного кубита сообщила научная группа из французского исследовательского центра в Сакле, при этом они смогли продемонстрировать на нем еще один феномен квантового мира — суперпозицию: одновременное существование состояний с различным числом электронных пар на «островке». Это явление было предсказано теоретически, но его воссоздание стало важной вехой в попытках исследователей научиться управлять микромиром. Следующий шаг — демонстрация квантовых «прыжков» из одного состояния в другое, которые в 1999 году ученые научились вызывать и регистрировать практически в режиме реального времени.

Зарядовые кубиты позволили впервые продемонстрировать на практике многие эффекты, как просто интересные с точки зрения квантовой физики, так и критически важные для создания работоспособного квантового компьютера. Но у них были и существенные недостатки (к примеру, чувствительность к вездесущему зарядовому шуму), что на рубеже веков привело к появлению на свет несколько серьезных конкурентов. Первый из них «родился» в Дельфтском технологическом университете (Нидерланды), где ученые создали кольцо из сверхпроводника с тремя джозефсоновскими переходами, площадь одного из которых была чуть меньше других. При этом в качестве квантовых состояний использовалось число так называемых «квантов потока» — единиц магнитного поля, пронизывающих кольцо кубита. Такой тип быстро завоевал популярность и продолжает использоваться по сегодняшний день (достаточно сказать, что первый российский кубит, созданный весной этого года объединенными усилиями ученых из МФТИ, МИСиСа, ИФТТ РАН и РКЦ, был именно потоковым).

Вторым конкурентом стали кубиты с большими джозефсоновскими переходами, которые получались с помощью стандартного процесса фотолитографии, использовавшегося при производстве микроэлектроники (именно поэтому они выглядели очень привлекательно с точки зрения перехода к промышленному производству). Такие переходы могли управляться внешним током, и при специальном подборе параметров в них появлялись квантовые уровни энергии, которые и использовались в качестве состояний кубита. Они получили название «фазовых».

Зачем нужны были все эти конкуренты? Ученые пытались увеличить так называемое «время жизни» кубита — то есть промежуток, в течение которого кубит обладал заданным квантовым состоянием. Важность этого параметра сложно переоценить: ведь исполнять квантовые алгоритмы над кубитом можно, только пока он сохраняет свое квантовое состояние, и чем больше «время жизни» кубита, тем более сложные задачи с его помощью можно решать. Спустя половину десятилетия после создания первого сверхпроводящего кубита их максимальное время жизни составляло несколько сотен наносекунд, что не позволяло использовать их для сколько-нибудь серьезных приложений. А когда ученые пытались объединить несколько кубитов и заставить их работать вместе (опять же: необходимое условие для создания квантового компьютера), времена жизни кубитов становились еще меньше.

Евгений ГЛУШКОВ,
MakeItQuantum.ru —
специально для «Новой»

Продолжение следует:

• как кубитам «продлили жизнь»;


• как весной этого года был изготовлен первый российский сверхпроводящий кубит.