трансмонный кубит

Дорогу не строят, снося соседние дома: сначала укладывают асфальт, а потом лишнее стачивают, оставляя ровное полотно. Примерно так же поступили физики из Гейдельберга, когда взялись за производство джозефсоновских контактов — крошечных сэндвичей из сверхпроводника и изолятора, через которые ток течёт без сопротивления.

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.

Пластиковая плёнка толщиной с человеческий волос содержит платиновые точки размером меньше миллионной доли миллиметра — так называемые наночастицы. Они расположены на границе двух слоёв транзистора и действуют как ловушки для электрического заряда: подобно губке, впитывающей воду, эти точки захватывают и удерживают электроны.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Водопроводная труба: чем она шире, тем больше воды проходит. В сверхпроводящих контактах — джозефсоновских переходах (мостиках, по которым ток течёт без сопротивления) — обычно так же: чем лучше материал проводит в обычном состоянии, тем больший сверхпроводящий ток через него течёт.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

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 квантовом мире свой танец. Два сверхпроводящих тороида, уютно удерживающие каждый свой квантованный магнитный поток, кружатся в синхронном вальсе. Между ними — вакуум, ни одной силовой линии, но они безошибочно вторят движениям друг друга.

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.

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.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Квантовый симулятор на ионных ловушках похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а фононная шина (общие колебания) — дирижёр, передающий сигналы. Пока все играют одну мелодию, всё идёт гладко. Но если попросить музыкантов одновременно исполнять две разные партии, дирижёр начинает сбиваться — возникают помехи, искажающие звук.

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

Водитель крутит руль, чтобы машина повернула. В квантовом мире тоже есть свои «рули» — внешние параметры, которые плавно меняют, чтобы перегнать частицы из одного места в другое. Так устроен насос Таулеса: медленно изменяя условия, можно перекачать строго определённое число частиц, и это число защищено от помех самой геометрией процесса.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Квантовые частицы способны проходить сквозь препятствия, словно мяч, внезапно оказывающийся внутри холма и вылетающий с другой стороны. Этот туннельный эффект — прямое следствие волновой природы материи — объяснил Георгий Гамов, разгадывая механизм альфа-распада: как частицы покидают атомное ядро, преодолевая потенциальный барьер.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

Квантовый процессор похож на оживлённый перекрёсток: чем больше машин, тем труднее им разъехаться без аварий. В квантовом мире роль машин играют кубиты — элементарные носители информации, которые, в отличие от обычных битов, могут быть и нулём, и единицей одновременно.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

Квантовый чип похож на слоёный пирог: сверхпроводящий металл, тонкий слой изолятора, снова металл. Раньше слои наносили через полимерную маску — как трафарет для краски. Полимер оставлял на поверхности невидимые капли, которые портили сверхпроводимость и мешали чистоте. Теперь маску убрали. Вместо неё в кремнии вытравливают канавки — как бороздки на грядке.

Кубит — это как струна, которая должна замереть перед началом мелодии. Если она дрожит, музыка начинается с фальшивой ноты. В квантовых компьютерах роль такой струны играют сверхпроводящие кубиты. Перед каждым вычислением их нужно успокоить до основного состояния — иначе ошибки неизбежны.

В квантовом компьютере кубит похож на канатоходца: любое дуновение ветра — и равновесие потеряно. Ошибки накапливаются, и вычисление рассыпается. Обычно их исправляют, сравнивая соседние кубиты, но это как просить канатоходца оглядываться на соседей — лишние движения и риск.

Обычный лазер — это усилитель света, в котором атомы, получив энергию, дружно испускают волны одной частоты. Мазер делает то же самое, но для микроволн — невидимого излучения, которое греет еду в микроволновке и передаёт сигналы в телефонах.

Квантовые компьютеры и датчики работают на микроволновых частотах, но передавать их сигналы на большие расстояния удобно по оптоволокну, где используется свет. Чтобы связать эти два мира, нужен посредник — устройство, которое переводит микроволны в оптические фотоны и обратно, не разрушая хрупкую квантовую информацию.

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.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

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.

В обычном проводнике электрический ток течёт симметрично: электроны движутся одинаково легко в обоих направлениях, подобно воде в прямой трубе. Однако на границе нормального металла и сверхпроводника эта симметрия исчезает.

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.

Обычный кухонный термометр показывает температуру, при которой ртуть перестаёт сопротивляться электричеству. Для сверхпроводников, из которых делают квантовые компьютеры, критическая температура — как паспорт качества: чем выше, тем лучше. Тантал в форме альфа — отличник, а его близнец бета считался двоечником.

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.

Кубит — вычислительная ячейка квантового компьютера — живёт доли миллисекунды, а потом забывает своё состояние. Одна из причин — крошечный контакт внутри него: два слоя алюминия, между которыми зажат слой оксида алюминия толщиной в пару нанометров.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

Звук на поверхности кристалла — как рябь на воде, только бежит по твёрдому телу. Такая рябь называется поверхностной акустической волной: она движется в сто тысяч раз медленнее света, поэтому её можно сжать в очень короткие отрезки и уместить на крошечном чипе. Обычно такие волны запускают металлическими гребёнками из алюминия или золота.

Обычный сверхчувствительный датчик магнитного поля похож на весы, которые начинают врать, если положить на них слишком тяжёлый груз. Сигнал от него становится кривым, и приходится добавлять сложную электронику, чтобы выпрямить показания. Эта электроника шумит и мешает работать быстро. Новый датчик — би-СКВИПТ — устроен иначе.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант-кубит должен играть свою ноту без фальши. Но время от времени в зал врывается прохожий — частица радиации из космоса — и сбивает музыкантов с ритма. Такие сбои называют всплесками ошибок, и они мешают вычислениям.