Стабильный кубит — главный кандидат на универсальный квантовый компьютер

Доктор философии держит печатную плату с двумя разъемами и пинцетом, удерживающим квантовый чип. Автор: QuTech

Исследователи из QuTech улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева» и считают, что он может стать главным кандидатом в погоне за идеальным кубитом. Новый тип кубитов создан более надежным и стабильным способом по сравнению с предыдущими версиями, сочетая преимущества двух других типов кубитов. Команда опубликовала свою работу в журнале Nature Physics.

В отличие от мира обычных компьютеров, где биты основаны на очень хорошо зарекомендовавших себя и надежных технологиях, идеальный кубит еще не изобретен. Будет ли квантовый компьютер будущего содержать кубиты, основанные на сверхпроводящих трансмонных кубитах, спиновых кубитах в кремнии, NV-центрах в алмазе или, возможно, в каком-то другом квантовом явлении? Каждый тип кубита имеет свои преимущества и недостатки. Один из них более стабилен, второй имеет более высокую точность, а другие легче производятся серийно. Идеального кубита не существует.

Лучшая комбинация

В этой работе исследователи из QuTech — сотрудничества между Делфтским технологическим университетом и TNO — и вместе с международными сотрудниками создали разумную комбинацию существующих методов хранения квантовой информации.

Марта Пита-Видал, соавтор исследования, объясняет: «Два наиболее перспективных типа — это спиновые кубиты в полупроводниках и трансмонные кубиты в сверхпроводящих цепях. Однако у каждого типа есть свои проблемы. Например, спиновые кубиты малы и совместимы с современными промышленными технологиями, но они испытывают трудности с взаимодействием на больших расстояниях. С другой стороны, трансмонные кубиты могут эффективно контролироваться и считываться на больших расстояниях, но они имеют встроенное ограничение скорости для операций и относительно велики. Исследователи стремятся использовать преимущества обоих типов кубитов, разрабатывая гибридную архитектуру, которая их объединяет».

Anreev spin qubit

«В нашем эксперименте нам удалось напрямую манипулировать спином кубита с помощью микроволнового сигнала», — говорит Арно Баргербос, другой соавтор. «Мы достигли очень высоких «частот Раби», которые являются мерой того, насколько быстро они могут управлять кубитом. Затем они встроили этот «спиновый кубит Андреева» в сверхпроводящий трансмонный кубит, который позволяет быстро измерять состояние кубита».

Исследователи охарактеризовали время когерентности спинового кубита Андреева, меру того, как долго кубит может оставаться живым. Они заметили, что на его «долговечность» влияет магнитное поле окружающих материалов.

«Наконец, — говорит Баргербос, — мы продемонстрировали первую прямую сильную связь между спиновым кубитом и сверхпроводящим кубитом, а это означает, что они могут заставить два кубита взаимодействовать контролируемым образом. Это говорит о том, что спиновый кубит Андреева может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально разных кубитных технологиях: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах».

Главный исследователь Кристиан Андерсен говорит: «Нынешний спиновый кубит Андреева еще не идеален. Ему еще предстоит продемонстрировать многокубитные операции, что необходимо для универсальных квантовых компьютеров. Время когерентности также неоптимально. Это можно улучшить, используя другой материал. К счастью, масштабируемость кубитов находится на одном уровне с полупроводниковыми кубитами, что вселяет надежду на то, что мы сможем дойти до точки, когда создание квантовых алгоритмов станет ограничивающим фактором, а не квантовым оборудованием».

Оригинал статьи: Marta Pita-Vidal, Direct manipulation of a superconducting spin qubit strongly coupled to a transmon qubit, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02071-x. www.nature.com/articles/s41567-023-02071-x 🔗