Почему гейтмоны не догоняют обычные кубиты экспресс
Два одинаковых автомобиля сходят с одного конвейера. Кузов, колёса, руль — всё совпадает. Только в одном стоит обычный бензиновый мотор, а в другом — гибридный, который можно подстраивать под дорогу. И вот гибрид глохнет через пару километров, а бензиновый едет десятки. Примерно так обстоят дела с двумя типами сверхпроводящих кубитов — строительных блоков квантового компьютера.
В новой работе физики изготовили на одном чипе два вида кубитов: обычные, с туннельным переходом между сверхпроводниками, и гейтмоны — с переходом, в который встроен кусочек полупроводника. Всё остальное — разводка, диэлектрики, управляющие линии — было одинаковым. Разница лишь в сердце кубита: джозефсоновском переходе, который задаёт его квантовые свойства. И вот результат: обычные кубиты живут десятки микросекунд, а гейтмоны — всего несколько. Причём разрыв не объяснить потерями на излучение или утечками в цепи — все эти каналы посчитали и вычли. Остаётся сам переход.
Измерения при разных температурах показали, что в обоих типах переходов одинаково ведут себя квазичастицы — возбуждения, которые разрушают квантовую информацию. Значит, дело не в них. Разница в чём-то другом, что не зависит от температуры и сидит глубоко в самом переходе. Возможно, в дефектах материала или в неконтролируемых процессах на границе сверхпроводника и полупроводника. Это как если бы в гибридном моторе была невидимая трещина, которая не видна на чертеже, но постоянно подсасывает мощность.
Пока гейтмоны не догонят обычные кубиты по времени жизни, квантовые компьютеры на их основе будут проигрывать в надёжности. Но теперь хотя бы ясно, куда смотреть: не на внешние помехи, а внутрь самого перехода. Возможно, инженеры найдут способ залатать эту трещину — и тогда гибкие кубиты станут не только удобными, но и долгоживущими.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.29498
Superconducting transmon qubits based on hybrid superconductor-semiconductor Josephson junctions (gatemons) offer gate tunability, but their relaxation times remain well below those of state-of-the-art transmons, and the origin of this discrepancy is not fully understood. Here, we co-fabricate gatemons and SIS-junction transmons with nominally identical circuit layouts, gate dielectrics, and control lines, so that the Josephson element is the only intentional distinction. Across multiple chips, transmons in this architecture reach relaxation times in the tens of microseconds, whereas gatemons saturate in the few-microsecond range. Using the transmons as on-chip references, we construct a loss budget including Purcell decay, spontaneous emission through the control line, and internal dielectric loss, and find that the corresponding T1 limits exceed all measured gatemon values by more than an order of magnitude. Temperature-dependent T1 measurements follow a common quasiparticle-activation model and yield similar superconducting gaps for S-Sm-S and SIS junctions, indicating that the reduced gatemon coherence is dominated by additional temperature-independent, junction-intrinsic dissipation.
Джозефсоновский переход — это два сверхпроводника, разделённые тонким слоем изолятора или полупроводника. Через такой барьер туннелируют куперовские пары — связанные пары электронов, которые и создают сверхпроводимость. Толщина барьера — всего несколько нанометров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса.
В сериале «Разрабы» квантовый компьютер строится на сверхпроводящих кубитах, и герои борются за каждый процент точности их работы — примерно так же, как физики сейчас борются за микросекунды времени жизни гейтмонов.