Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Звуковой чип для квантового компьютера

Физики предлагают использовать в квантовом компьютере акустические колебания и утверждают, что это сделает его компактнее и надёжнее.

Схема чипа. Резонатор состоит из двух Брэгговских зеркал, в которых по 200 полос, отстоящих на половину длины волны. Сами волны показаны белыми и голубыми полосками. В резонаторе находится кубит (трансмон), излучатель (вход) и приёмник (выход). Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. (рис. Елены Хавиной, пресс-служба МФТИ).
Трехмерное изображение чипа и волн в нем из статьи авторов.
Пример волн, поддерживаемых резонатором.
Характерные масштабы акустического чипа (рис. Елена Хавина, пресс-служба МФТИ)

В работах по созданию квантовых компьютеров традиционно используется микроволновое электромагнитное излучение (фотоны). Однако не так давно появилось альтернативное направление, на основе акустических волн (фононов). Несмотря на то, что квантовоакустический подход пока развит значительно слабее микроволнового, у него есть преимущества, которые могут пригодиться в будущем.

Физики из МФТИ, МИСиС, МГПУ и Лондонского университета разработали квантовую систему, в которой кубит (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере) взаимодействует с акустическими волнами в резонаторе. Их исследование позволяет показать, что явления и эффекты квантовой оптики работают на акустике, и использовать в будущем подобные устройства для разработки квантовых компьютеров. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

Авторы работы изучали взаимодействие трансмона – одного из видов сверхпроводящих кубитов - с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Эти волны подобны волнам на поверхности моря, но возникают они на поверхности твёрдого тела.

Собранный чип представляет собой пьезоэлектрическую подложку из кварца, на которую напылена алюминиевая схема из трансмона, резонатора (два зеркала, отражающие волны), излучателя и приёмника. Все эти устройства состоят из больших массивов узких металлических полос. Конструкцию поместили в криостат, охлаждённый до нескольких десятков милликельвин, то есть до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Пьезоэлектрик — материал, преобразующий электромагнитное воздействие в механическое и наоборот. Источник порождает на пьезоэлектрике поверхностную акустическую волну, которая бежит между зеркалами резонатора, отражаясь от них. Резонатор поддерживает и усиливает волны определенных длин. Внутри резонатора находится трансмон с двумя энергетическими уровнями. Между этими уровнями может происходить переход, то есть трансмон ведёт себя как искусственный атом.

Кубит взаимодействует с волнами в резонаторе. Он может переходить в возбуждённое или основное состояние, поглощая из резонатора энергию или излучая в него энергию с частотой, равной частоте перехода кубита. При этом резонансная частота самого резонатора изменяется в зависимости от состояния кубита. Измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение информации с кубита.

Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. раз меньше скорости света, следовательно, и длины получающихся волн во столько же раз меньше. Размер резонатора должен «подходить» под длину волны. На практике он должен быть значительно больше её. А чем больше резонатор, тем больше в нём оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности кристалла. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита, что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание квантового компьютера. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около одного сантиметра. В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра (1 мкм = 10-6 м), что позволяет делать высокодобротные резонаторы размером 300 мкм. В данной работе длина волны равна 0,98 мкм.

Из-за большой длины волны в микроволновый электромагнитный резонатор сложно поместить даже два кубита, которые бы взаимодействовали с ним на разных частотах. Поэтому в микроволновом случае для каждого кубита приходится делать отдельный резонатор.

В акустике можно сделать несколько кубитов, немного отличающихся по частоте перехода, и разместить их в одном механическом резонаторе. Поэтому квантовый чип на звуковых волнах должен быть гораздо компактнее тех, что производят сейчас. К тому же акустические устройства не чувствительны к электромагнитному шуму, что может решить проблему чувствительности к нему микроволновых квантово-вычислительных систем.

Ранее никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объёмных резонаторах квантовый режим был показан, но дело дальше не пошло, возможно, из-за сложности производства. В данной работе исследователи использовали однослойную структуру, которую проще изготовить с помощью имеющихся технологий.

Исследование было выполнено в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

По материалам пресс релиза МФТИ

Автор: Алексей Понятов

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)