Ученые НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра и Технологического института Карлсруэ разработали квантовый сенсор, позволяющий обнаруживать дефекты в работе квантовых систем. Разработка может стать шагом к созданию полноценного квантового компьютера. Исследование опубликовано в журнале npj Quantum Information, сообщает пресс-служба НИТУ «МИСиС».
Квантовый компьютер – это устройство, хранящее и обрабатывающее информацию внутри группы квантовых систем, каждая из которых, как правило, является двухуровневой и называется «квантовый бит» или «кубит» (англ. «qubit» – quantum bit). Самым популярным и перспективным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на основе контактов Джозефсона. На их основе чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. Именно на джозефсоновских кубитах работают квантовые процессоры технологических гигантов IBM и Google.
Ключевым элементом сверхпроводниковых кубитов является джозефсоновский контакт размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Он представляет собой два слоя проводника (сверхпроводящего металла), разделенные тонким слоем диэлектрика, чаще всего оксида алюминия.
При этом такой метод «сборки» сверхпроводящих кубитов неизбежно приводит к появлению так называемых двухуровневых дефектов, влияющих на их поведение и приводящих к ошибкам в вычислениях. Объясняется это тем, что современные технологии не позволяют добиться стопроцентной точности при создании кубитов. В результате наличия дефектов происходит декогеренция — потеря кубитами квантового состояния, и неизбежные вследствие этого ошибки.
Двухуровневые дефекты в оксиде алюминия и на поверхности сверхпроводников являются важным механизмом возникновения флуктуаций и потерь энергии в сверхпроводниковых кубитах, тем самым фактически ограничивая возможность использования таких кубитов для выполнения длинных квантовых алгоритмов.
Чем больше дефектов возникает в материале, и чем сильнее они влияют на кубиты, тем больше ошибок получается в произведенных вычислениях.
Разработанный учеными квантовый сенсор позволяет определять точное расположение и концентрацию двухуровневых дефектов в кубитных микросхемах. По словам одного из авторов исследования, заведующего лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководителя группы в РКЦ, профессор, д.ф.-м.н. Алексея Устинова, сенсорный датчик сам является сверхпроводниковым кубитом и позволяет детектировать отдельные дефекты и даже производить манипуляции с ними.
Как отмечают ученые, традиционные методы исследования качества материалов, вроде рентгеновского рассеяния, не слишком чувствительны к маленьким точечным дефектам, и их результаты часто не позволяют понять, в правильном ли направлении движутся разработчики именно с точки зрения создания лучших кубитов. Предложенный подход открывает возможности для разработки диэлектриков и сверхпроводниковых материалов с малыми потерями, необходимых для развития квантовых компьютеров.
Справка
НИТУ «МИСиС» — один из научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. Университет занимает ведущие позиции в мире в предметных рейтингах THE, QS и ARWU сразу по 16 направлениям, входя в топ-100 в категориях «Инжиниринг–Горное дело» (рейтинг QS) и «Инжиниринг-Металлургия» (рейтинг ARWU), в области материаловедения НИТУ «МИСиС» в группе 101+ лучших вузов (рейтинг QS).
Стратегическая цель НИТУ «МИСиС» к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нанотехнологий и IT. В состав университета входит 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В НИТУ «МИСиС» учится более 20 000 обучающихся, среди них 26% – это студенты из 84 стран мира. В университете действуют более 30 научно-исследовательских лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. НИТУ «МИСиС» успешно реализует совместные проекты с крупнейшими высокотехнологичными компаниями России и мира.
