Соединительное устройство APQ.
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02630-w

Квантовая связь и квантовые вычисления работают на основе квантовых битов (кубитов) как наименьшей единицы информации, связанной с битами в классическом компьютере. Из множества различных подходов, которые в настоящее время исследуются во всем мире, одним многообещающим вариантом является использование парных кубитов Андреева.

Эти кубиты формируются на границе раздела металла и сверхпроводника в процессе, известном как отражение Андреева. Здесь электрон из металла попадает в сверхпроводник, где становится частью электронной пары (куперовской пары), а дырка, ведущая себя как положительная частица, отражается обратно в металл.

В результате этого процесса на границе раздела этих материалов образуются дискретные пары связанных состояний. Они известны как связанные состояния Андреева и могут служить базовыми состояниями кубита. Эти состояния относительно устойчивы к внешним возмущениям, а время когерентности — время, в течение которого сохраняется суперпозиция, — относительно велико. Ими также можно легко управлять и включать в современные электронные схемы. Все эти факторы выгодны для разработки надежных и масштабируемых квантовых компьютеров.

Обмен между двумя квантовыми системами

Исследователи теперь достигли сильной квантово-механической связи между двумя андреевскими кубитами, каждый из которых локализован в полупроводниковой нанопроволоке. Результаты показывают превосходное согласие с теоретическими моделями.

«Мы соединили два кубита андреевской пары на большом расстоянии друг от друга на двух концах длинного сверхпроводящего микроволнового резонатора. Это позволяет осуществлять обмен микроволновыми фотонами между резонатором и кубитами», — объясняет профессор Кристиан Шёненбергер из кафедры Физика и Швейцарский институт нанонаук Базельского университета, команда которого проводила эксперименты.

Микроволновой резонатор можно использовать двумя разными способами: в одном режиме кубиты можно считывать через резонатор, предоставляя исследователям информацию об их квантовом состоянии. Второй режим используется для связи двух кубитов друг с другом, позволяя им «общаться» без потери микроволновых фотонов. Тогда два кубита больше не будут независимыми друг от друга, а скорее разделят новое квантовое состояние, что жизненно важно для развития квантовой связи и квантовых компьютеров.

«В нашей работе мы объединяем три квантовые системы, чтобы они могли обмениваться фотонами между собой. Сами наши кубиты имеют размер всего около 100 нанометров, и мы соединяем их на макроскопическом расстоянии в 6 миллиметров», — говорит доктор Андреас Баумгартнер, один из соавторов статьи. «Тем самым мы смогли показать, что кубиты пары Андреева подходят в качестве компактных и масштабируемых твердотельных кубитов».