Сотрудники Йельского университета и Национальной лаборатории Брукхейвена добились увеличения времени функционирования сверхпроводящих квантовых устройств, разработав инновационный метод проектирования микросхем и подбора материалов. Благодаря этому новому подходу время когерентности кубитов удалось увеличить до одной миллисекунды. О результатах исследования сообщает журнал Nature Communications.
Сотрудники Йельского университета и Национальной лаборатории Брукхейвена добились увеличения времени функционирования сверхпроводящих квантовых устройств, разработав инновационный метод проектирования микросхем и подбора материалов. Применение новой методологии позволило продлить время когерентности кубитов до одной миллисекунды. О результатах исследования сообщается в журнале Nature Сommunications.
В настоящее время квантовые компьютеры разрабатываются на основе сверхпроводящих материалов. Квантовые вычисления используют кубиты – элементы, хранящие информацию, которые могут находиться в состоянии ноль, состоянии один, а также в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно быть нулем и единицей. Благодаря такому подходу вычисления выполняются существенно быстрее. Используемые при создании квантовых компьютеров материалы обеспечивают возможность использования явления сверхпроводимости, которое позволяет электрическому току протекать без потерь. Тем не менее, сверхпроводимость не решает всех возникающих проблем.
Рассеяние энергии представляет собой ключевую проблему для квантовых компьютеров, поскольку оно препятствует стабильной работе кубитов. Для поддержания когерентности – состояния, обеспечивающего максимальную производительность кубитов – необходимо, в том числе, снижать вычислительные возможности всей системы. Таким образом, поиск методов продления когерентного состояния является важной задачей для прогресса в области квантовых вычислений.
Ученые провели исследование, направленное на выявление причин потерь энергии в сверхпроводящих квантовых схемах. Ранее было установлено, что применение тантала позволяет сохранять когерентность кубитов в течение до 0,3 миллисекунды. В ходе работы исследователи обнаружили, что комбинация очищенной обжигом сапфировой подложки и тантала существенно уменьшает энергетические потери как на поверхности, так и внутри диэлектриков. Использование тантала обеспечивает высокое качество границ раздела между слоями, из которых состоят кубиты, а металл улучшает состояние поверхности и, соответственно, интерфейсов с другими материалами. Отжиг сапфировых подложек при температуре 1200 °С в условиях постоянной подачи кислорода приводит к заметному уменьшению диэлектрических потерь в объеме готового кубита. Результаты экспериментов, проведенных с использованием структур из тантала и алюминия, подтвердили предварительные теоретические расчеты.
В процессе исследования была также улучшена геометрия устройств. Кубит сформирован из трех сверхпроводящих полос, выполненных в виде тонких пленок и размещенных на подложке. Расположение полос позволило не только измерить потери энергии, но и установить их источник. Выбранная архитектура обеспечила возможность точного разделения поверхностных и объемных диэлектрических потерь.
Разработанная структура позволяет размещать несколько кубитов с улучшенными параметрами на одной микросхеме, используя существующие технологические процессы. Полученные запоминающие элементы демонстрируют временной интервал между сигналами в процессе определения когерентности от 2,0 до 2,7 миллисекунды, что определяется временем релаксации энергии от 1,0 до 1,4 миллисекунды. Достигнутые показатели значительно превышают предыдущие результаты в области квантовой памяти на тонкопленочных устройствах. Применение новой методики позволило увеличить время когерентности в три раза – с 0,3 до 1,0 миллисекунды.
Представленные в данной работе исследования, посвященные анализу потерь, выявили конкретные и обоснованные способы повышения когерентности в сверхпроводящих кубитах. Для улучшения характеристик системы критически важно создавать более специализированные архитектуры и технологические процессы, либо использовать материалы, обладающие изначально меньшими потерями в определенной области кубитов. Также, уменьшение поверхностных потерь должно сочетаться с оптимизацией объемных диэлектрических потерь, что возможно благодаря проектированию микросхем с учетом энергопотерь.