Ученые из Йельского университета и Национальной лаборатории Брукхейвена увеличили время работы сверхпроводящих квантовых устройств благодаря новому подходу к проектированию микросхем и выбору материалов. Такая парадигма позволила продлить время когерентности кубитов до одной миллисекунды. Об этом сообщается в журнале Nature communications.
Ученые из Йельского университета и Национальной лаборатории Брукхейвена увеличили время работы сверхпроводящих квантовых устройств, изменив подход к проектированию микросхем и выбрав новые материалы. Благодаря этому удалось продлить время когерентности кубитов до одной миллисекунды. Результаты опубликованы в журнале… Nature Сommunications.
Квантовые вычисления используют кубиты — единицы информации, способные принимать значения ноль, один или суперпозицию этих значений, то есть быть одновременно нулем и единицей. Такие вычисления ускоряются за счет этой парадигмы. Для их создания применяют сверхпроводящие материалы, которые обеспечивают протекание тока без потерь, но не все проблемы минимизируются этим свойством.
Вопросы рассеяния энергии важны для работы квантовых компьютеров. Рассеяние мешает кубитам функционировать должным образом.
Чтобы кубиты работали максимально эффективно, необходимо поддерживать их когерентность — состояние, позволяющее им выполнять вычисления с максимальной продуктивностью. Для этого требуется снижать общую вычислительную мощность компьютера. Поиск способов сохранения когерентного состояния как можно дольше является важным шагом для развития квантовых вычислений.
Ученые исследовали механизмы потери энергии в сверхпроводящих квантовых схемах. Известно, что тантал позволяет поддерживать когерентность кубитов до трех десятых миллисекунды. Исследователи обнаружили, что сочетание очищенной обжигом сапфировой подложки и тантала заметно снижает энергетические потери на поверхности и в объеме диэлектриков. Тантал обеспечивает высокое качество переходов между слоями, составляющими кубиты, а металл улучшает качество поверхности и интерфейсов с другими материалами. Отжиг сапфировых подложек при 1200 °С в кислородной атмосфере снижает диэлектрические потери в объеме готового кубита. Экспериментальные данные для структур из тантала и алюминия подтвердили теоретические расчеты.
Исследователи оптимизировали геометрию устройств. Кубит состоит из трех тонкопленочных сверхпроводящих полос, размещённых на подложке. Полосы расположили таким образом, чтобы можно было не только количественно оценить потерю энергии, но и определить её местоположение. Благодаря выбранной архитектуре удалось точно различить поверхностные потери и объемные диэлектрические потери.
Создана структура, позволяющая размещать на одних микросхемах несколько кубитов с улучшенными характеристиками при существующих технологиях производства.
Полученные запоминающие элементы обладают временным интервалом между сигналами в процессе определения когерентности от 2,0 до 2,7 миллисекунд. Этот интервал ограничен временем релаксации энергии от 1,0 до 1,4 миллисекунды. Результаты существенно превосходят предыдущие достижения в области квантовой памяти на тонкопленочных устройствах. Новый подход увеличил время состояния когерентности в три раза — с трех десятых до одной миллисекунды.
Изучение потерь в данной работе выявило ясные и реалистичные пути повышения когерентности сверхпроводящих кубитов. Разработка более специализированных конструкций и процессов или применение материалов с изначально меньшими потерями в определенной области кубитов критически важно для улучшения когерентности системы. Для снижения потерь необходимо оптимизировать как поверхностные, так и объемные диэлектрические потери. Это достижимо при проектировании микросхем, учитывающих энергетические потери.