зарядовый кубит

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Переводчик в зале суда должен передавать каждое слово, не отвлекаясь на шум в зале. В квантовом мире роль такого переводчика играет сверхпроводящий резонатор, который должен терять фотоны строго по расписанию, не сбиваясь на посторонние эффекты.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

Квантовый компьютер — это не просто набор кубитов, а целый город, где каждый житель — одно из возможных состояний всей машины. Жители знакомятся друг с другом через слабые взаимодействия между кубитами: если одно состояние может перейти в другое, между ними протягивается ниточка знакомства.

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

Пустой резонатор — не совсем пустой. Даже в абсолютном вакууме, где нет ни одного фотона — кванта света, — существуют квантовые флуктуации: непрерывное рождение и исчезновение виртуальных частиц. Это похоже на рябь на воде в полный штиль: поверхность кажется гладкой, но молекулы продолжают дрожать. Физики научились превращать эту дрожь в настоящие волны — реальные фотоны.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

Световая ловушка удерживает атом почти неподвижно — как шарик на мягкой пружинке. Но стоит появиться ускорению, например силе тяжести, и равновесие смещается. Атом сдвигается в стоячей световой волне, и это меняет темп, с которым он обменивается энергией с полем. Частота такого обмена становится прямым индикатором ускорения.

Соты, наполненные электронным «мёдом». В обычном состоянии электроны движутся беспорядочно, но при сильном охлаждении они могут объединяться в пары — так рождается сверхпроводимость. Форма этих пар, или симметрия спаривания, определяет свойства материала: одни танцуют вальс, другие — фокстрот.

Сверхпроводящие кубиты — бьющееся сердце квантовых компьютеров, но их ритм сбивает декогеренция: квантовость растворяется в шуме. Традиционные архитектуры либо теряют точность управления, либо полагаются на магнитные поля — а те, как незваные дирижёры, вносят перекрёстные помехи.

Сверхпроводимость часто представляют как застывший танец электронов: они объединяются в пары и движутся без сопротивления, словно фигуристы на идеальном льду. Но в высокотемпературных сверхпроводниках этот лёд оказывается не таким уж гладким.

Старый вопрос о демоне Максвелла — может ли разумное существо обойти второе начало термодинамики и перекачать тепло от холодного к горячему — получает новое звучание в квантовом мире. Здесь частицы действуют не как одинокие голоса, а как слаженный хор, где каждый исполнитель усиливает других благодаря квантовой когерентности.

В кристалле CsV3Sb5-xSnx, который при низких температурах становится сверхпроводником, ток течёт не сплошным потоком, а по узким извилистым дорожкам. Разглядеть эти дорожки помог сканирующий микроскоп с чувствительным датчиком магнитного поля — он улавливает малейшие токи, словно эхолот прощупывает дно.

В некоторых материалах электрический ток может течь без малейших потерь — это сверхпроводимость. Но перед тем как стать сверхпроводником, вещество часто проходит через странное состояние: электроны уже чувствуют друг друга и образуют пары, однако дружно двигаться ещё не могут.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

В недрах массивной нейтронной звезды, где чайная ложка вещества весит, как гора, кварки стиснуты до немыслимой близости.

Три гитарные струны на одном инструменте, но колки у каждой вращаются с разным усилием: одна поддаётся сразу, другую крутишь с трудом, а третья и вовсе заедает. Примерно так выглядит работа с кремниевыми квантовыми точками — крошечными островками-кубитами, где каждый требует своего электрического «напряжения-колка», чтобы правильно звучать.

Качели могут раскачиваться сильно или едва заметно. Обычно, если их не трогать, они остаются в выбранном режиме. Но в микромире всё иначе: крошечная мембрана, колеблющаяся под действием лазерного луча, способна самопроизвольно перепрыгивать из одного размаха в другой. Это похоже на побег с одной орбиты на соседнюю, только движет этим побегом не ракета, а вездесущий квантовый шум.

Два переводчика-синхрониста сидят в одной кабине. Первый переводит с английского на русский, но половину слов проглатывает. Второй — с русского на французский, и тоже половину теряет. Если посадить их вместе, кажется, получится каша: потери сложатся, и до слушателя дойдёт лишь четверть смысла. Но что, если они начнут поправлять друг друга? Один услышал обрывок — второй дополнил по догадке.

Обычные батареи теряют заряд подобно тому, как остывает чай. Квантовая батарея устроена иначе: её сердце — крошечная оптическая полость, в которой мечутся фотоны.

Танцпол заполнен людьми: каждый движется сам по себе, никто не держится за руки. Вдруг музыка становится громче и ритмичнее — соседи начинают хвататься друг за друга, образуя пары, которые кружатся синхронно. Примерно так выглядел эксперимент в лаборатории, где облако атомов лития, охлаждённых почти до абсолютного нуля, заставили резко усилить взаимное притяжение.

Перед сборкой огромного пазла нужно наштамповать детали — иначе картинка не сложится. В квантовых компьютерах на основе слияния роль таких деталей играют крошечные сгустки света — фотонные ресурсные состояния. Их сталкивают и измеряют, чтобы постепенно вырастить вычислительную ткань.

Обычный аккумулятор в телефоне копит энергию в химических связях — медленно, с нагревом и износом. Квантовый конденсатор работает иначе: он заряжается не веществом, а ритмом. Качели, которые раскачиваются в такт толчкам, накапливают энергию в самом движении, без трения.

Камень падает в пруд — по воде расходятся круги. В физике похожий закон сохранения работает для энергии и импульса: сколько было, столько и осталось. Но в искривлённом пространстве-времени, где хозяйничает гравитация, сохраняющиеся величины определить сложнее.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Переполненный автобус, где каждый пассажир — электрон. В сверхпроводнике пассажиры объединяются в пары и движутся слаженно, без потерь энергии. Но в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как купраты, эта идиллия работает только при добавлении лишних пассажиров. Если же кого-то высадить, пары начинают вести себя странно.

В мире сверхпроводников электроны не любят одиночества. Обычно они объединяются в пары — куперовские пары — и движутся без сопротивления, как фигуристы, взявшись за руки. Но можно заставить их танцевать вчетвером. Авторы этой работы предлагают схему, где рождаются квартеты Купера — группы из четырёх электронов, обменивающихся партнёрами в быстром ритме.

Четыре музыканта играют слаженно, только если держатся за руки. В квантовом мире такую цепочку образуют четыре электрона в четырёх соседних квантовых точках — крошечных ловушках для заряда. Это основа SAGE-кубита (от английского «всегда включённый бесщелевой обмен на синглетах»).

Кристалл уранового соединения UTe2 похож на слоёный пирог, где электроны текут без сопротивления. Но если рассмотреть его поверхность в микроскоп, видна рябь — как волны на воде от брошенного камня. Эти волны не из воды, а из электрического заряда: электроны собираются то гуще, то реже, образуя периодический узор. Учёные охлаждали образец, прикладывали магнитное поле и меняли сам кристалл.

В квантовых батареях процесс зарядки можно ускорить, если перемешать последовательность шагов во времени — подобно тому, как тасуют колоду карт. Вместо плавного накопления энергии происходят резкие взрывы эффективности, напоминающие микроскопические сверхновые внутри атомов.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, играющий свою партию. Но в зал время от времени врывается космический луч, и скрипач вздрагивает, сбиваясь с ритма. Эти частицы из далёкого космоса пронзают чип, выбивают лишние электроны и портят хрупкую квантовую музыку.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Квантовый компьютер на спинах электронов похож на ряд крошечных волчков. Каждый волчок крутится либо по часовой, либо против — это и есть кубит. Чтобы узнать результат вычисления, волчок обычно останавливают и смотрят, куда он упал. Но если волчков много, на каждый нужен отдельный «глаз» — лишний кубит-помощник.

Квантовый эффект Холла — явление, при котором проводимость двумерного электронного газа квантуется в сильном магнитном поле, — долгое время подозревали в сверхтекучести: способности течь без трения, без диссипации энергии.

Капля металла на полупроводнике — как остров в море. Электрон, чтобы попасть на этот остров, должен заплатить «пошлину»: преодолеть барьер, который возникает из-за того, что остров крошечный, и каждый лишний заряд сильно меняет его энергию. Это явление называют кулоновской блокадой. Оно лежит в основе одноэлектронных транзисторов, где ток течёт по одному электрону.

Квантовая батарея — это устройство, которое запасает энергию в квантовых состояниях частиц. В новой работе батарею моделировали парой кубитов — мельчайших носителей информации, способных быть в состоянии «ноль», «единица» или в их смеси.

Внутри некоторых материалов электрический ток течёт без малейшего сопротивления. Это сверхпроводники, и они работают только при сильном холоде. Оксиды меди — особый случай: они сохраняют сверхпроводимость при температурах повыше, но почему — загадка уже сорок лет.