Часть квантового процессора. Фото: Сергей Гнусков/НИТУ «МИСиС»

Один из главных вопросов при разработке универсального квантового компьютера касается кубитов . А именно, из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров: электроны, фотоны, ионы, сверхпроводники или другие «квантовые транзисторы». Сверхпроводящие кубиты стали одной из самых успешных платформ для квантовых вычислений за последнее десятилетие. На сегодняшний день наиболее коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google, IBM и других ведущих мировых лабораторий.

Основная задача кубита — хранить и обрабатывать информацию без ошибок. Случайный шум и даже простое наблюдение могут привести к потере или изменению данных. Для стабильной работы сверхпроводящих кубитов часто требуются экстремально низкие температуры окружающей среды — близкие к нулю Кельвина, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса.

Российские физики из лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС и МГТУ им. Баумана одними из первых в мире реализовали двухкубитную операцию с использованием сверхпроводящих флюксониевых кубитов. Для защиты кубитов от шума исследователи добавили в схему сверхиндуктор (сверхпроводящий элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току), представляющий собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика.

Двухкубитный квантовый процессор на основе флюксония. Принципиальная схема взаимодействующей системы трех тел.
б Экспериментальная реализация трех емкостно-связанных кубитов флюксониевого типа, изготовленных на кремниевой подложке.
c Схема цепи. В b искусственные цвета (синий, фиолетовый, зеленый, оранжевый, желтый и красный) используются для обозначения соответствующих компонентов схемы в d. Терминаторы 50 Ом установлены на 10 мК каскаде холодильника разбавления и используются для инициализации кубитов.
Предоставлено : npj Quantum Information (2022). DOI: 10.1038/s41534-022-00644-х

«Флюксониевые кубиты сложнее и менее изучены, чем трансмоны. Основное преимущество флюксониумов в том, что они могут работать на низкой частоте около 600 МГц. Мы знаем, что чем ниже частота, тем дольше время жизни кубитов, а значит, с ними можно совершать больше операций. В ходе испытаний выяснилось, что диэлектрические потери флюксониевых кубитов позволяют сохранять состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, научный сотрудник инженер научного проекта лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС».

Для реализации универсального набора логических операций ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили: fSim и CZ. Для приведения кубитов в резонанс друг с другом использовалась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы. Авторы исследования отмечают, что за счет перестраиваемого элемента связи одновременно удалось не только получить точность двухкубитных операций выше 99,22%, но и подавить остаточное ZZ-взаимодействие между кубитами, что позволило выполнить параллельные однокубитные операции с точностью 99,97%.

«Низкая частота вычислительных кубитов открывает путь не только к увеличению времени жизни кубитов и точности работы вентилей, что приведет к созданию более длинных алгоритмов, но и позволяет использовать субгигагерцовую электронику в линиях управления кубитами, что значительно снижает сложность системы управления квантовым процессором», — сказал Илья Беседин.

Полученные результаты раскрывают интересный и многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые могут стать хорошей альтернативой системе трансмонов.

В дальнейшем ученые планируют продолжить исследования с вычислениями на основе флюксониевых кубитов, оптимизировать систему управления кубитами, улучшить скорость считывания и начать разработку многокубитных систем на их основе.