Сверхпроводящие кубиты

Сверхпроводящий кубит — это квантовая система, реализованная на основе сверхпроводящих электрических цепей, в которой для кодирования квантовой информации (кубита) используются дискретные энергетические уровни, возникающие за счёт эффекта Джозефсона. Сверхпроводящие кубиты являются одним из наиболее распространённых и технологически продвинутых типов физических кубитов, применяемых в современных квантовых вычислителях, в частности, в системах компаний Google, IBM, Intel и ряда российских научных групп (например, в МФТИ и НИТУ «МИСиС»).

История

Идея использования сверхпроводящих цепей для создания искусственных атомов была предложена в 1990-х годах, когда стало ясно, что естественные квантовые системы (ионы, атомы) сложны для масштабирования. В 1999 году группа под руководством Йоко Накамуры (NEC, Япония) продемонстрировала первый работающий сверхпроводящий кубит — так называемый «зарядовый кубит» (charge qubit). Это открытие положило начало бурному развитию направления.

В 2000-х годах были разработаны другие топологии: потоковый кубит (flux qubit) и фазовый кубит (phase qubit). В 2007 году группа Йельского университета (Роберт Шолкопф) создала трансмон-кубит (transmon), который стал доминирующим типом благодаря высокой когерентности и устойчивости к шумам. В 2010-х годах началась эра многоразрядных процессоров: Google в 2019 году заявила о «квантовом превосходстве» на 53-кубитном процессоре Sycamore, основанном на трансмон-кубитах. В России первые сверхпроводящие кубиты были изготовлены в 2015–2017 годах в рамках проектов Российского квантового центра (РКЦ) и лабораторий МФТИ.

Физические основы

Сверхпроводящий кубит работает при сверхнизких температурах (обычно 10–20 милликельвинов), что достигается в рефрижераторах растворения. Основными элементами являются:

• Сверхпроводящий резонатор — LC-контур (катушка индуктивности и конденсатор), который задаёт частоту колебаний.
• Переход Джозефсона — тонкий изолирующий слой (обычно оксид алюминия) между двумя сверхпроводниками, через который происходит туннелирование куперовских пар. Именно нелинейность этого перехода создаёт ангармонический потенциал, необходимый для выделения двух квантовых уровней (|0⟩ и |1⟩).
• Контрольные и считывающие линии — микроволновые волноводы и резонаторы для управления состоянием кубита и его измерения.

Кубит представляет собой искусственный атом: он имеет дискретный спектр энергий, но его параметры (частота, ангармоничность, время жизни) могут быть спроектированы в широких пределах путём выбора геометрии и материалов.

Типы сверхпроводящих кубитов

Зарядовый кубит (Charge qubit)

В этом типе кубита квантовым состоянием является число куперовских пар на сверхпроводящем островке. Управляется напряжением на затворе. Чувствителен к зарядовому шуму, поэтому имеет низкую когерентность (менее 1 микросекунды). Исторически первый тип.

Потоковый кубит (Flux qubit)

Квантовые состояния соответствуют двум направлениям сверхпроводящего тока в кольце с несколькими переходами Джозефсона. Управляется внешним магнитным полем. Менее чувствителен к зарядовому шуму, но чувствителен к магнитным флуктуациям.

Фазовый кубит (Phase qubit)

Использует разность фаз на переходе Джозефсона как квантовую переменную. Практически не применяется в современных процессорах из-за сложности масштабирования.

Трансмон (Transmon)

Наиболее распространённый тип. Представляет собой модификацию зарядового кубита с большим шунтирующим конденсатором, что делает его нечувствительным к зарядовому шуму. Время когерентности достигает сотен микросекунд. Трансмон легко считывается через резонатор и может быть соединён с другими кубитами через микроволновые связи или резонаторы.

Гатмоновский кубит (Gatemon)

Разновидность трансмон-кубита, в которой вместо стандартного перехода Джозефсона используется полупроводниковый нанопровод (например, InAs с алюминиевыми контактами). Позволяет управлять кубитом электрическим полем, а не магнитным, что упрощает интеграцию.

Устройство и характеристики

Время когерентности (T₁, T₂)

Ключевой параметр — время, в течение которого кубит сохраняет квантовое состояние. Для трансмон-кубитов T₁ (время релаксации) достигает 100–300 мкс, T₂ (время дефазировки) — до 200 мкс. Эти значения ограничены шумами, дефектами в диэлектриках и магнитными флуктуациями.

Частота и ангармоничность

Рабочая частота трансмон-кубита обычно составляет 4–8 ГГц. Ангармоничность (разница между частотами переходов |0⟩→|1⟩ и |1⟩→|2⟩) — около 200–400 МГц, что позволяет адресно управлять кубитом без перехода на высшие уровни.

Считывание

Состояние кубита измеряется путём его связи с микроволновым резонатором: частота резонатора зависит от состояния кубита (дисперсионное считывание). Типичная точность считывания — 95–99%.

Применение

Сверхпроводящие кубиты используются в качестве базовых элементов в следующих областях:

• Квантовые вычислители — процессоры Google Sycamore (53 кубита), IBM Quantum System One (127 кубитов), Intel Horse Ridge (49 кубитов). В России — процессор «Лебедев» (до 12 кубитов, МФТИ).
• Квантовое моделирование — симуляция физических систем (например, сверхпроводящих цепей, спиновых моделей).
• Квантовая криптография — генерация и распределение квантовых ключей.
• Квантовая метрология — сверхточные измерения магнитных полей и напряжений.

Проблемы и ограничения

Основные вызовы для сверхпроводящих кубитов:

• Короткое время когерентности — по сравнению с ионными кубитами (секунды) или фотонными, сверхпроводящие кубиты живут микросекунды.
• Необходимость криогенного охлаждения — делает системы громоздкими и дорогими.
• Ошибки вентилей — типичная точность однокубитных вентилей 99,9%, двухкубитных — 99,5%, что недостаточно для безошибочных вычислений (нужна коррекция ошибок).
• Перекрёстные помехи — взаимодействие между соседними кубитами может быть нежелательным.
• Дефекты материалов — двухуровневые системы (TLS) в диэлектриках и подложках ухудшают когерентность.

Перспективы

В 2020-х годах усилия направлены на увеличение числа кубитов (до 1000 и более), улучшение когерентности (до 1 мс) и внедрение квантовой коррекции ошибок. Российские исследователи (МФТИ, НИТУ «МИСиС», РКЦ) работают над созданием процессоров на 30–50 кубитов, а также над новыми материалами (например, нитрид титана вместо алюминия) для снижения шумов.

Интересные факты

• Первый сверхпроводящий кубит был изготовлен из алюминия на кремниевой подложке.
• Время когерентности трансмон-кубитов за 20 лет выросло с 1 нс до 300 мкс — в 300 000 раз.
• Google Sycamore выполнил задачу (случайная выборка) за 200 секунд, на что лучшему суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет (хотя это оспаривается).

Источники

• Nakamura, Y., Pashkin, Yu. A., Tsai, J. S. (1999). Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box. Nature, 398, 786–788.
• Koch, J. et al. (2007). Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box. Physical Review A, 76, 042319.
• Kjaergaard, M. et al. (2020). Superconducting qubits: Current state of play. Annual Review of Condensed Matter Physics, 11, 369–395.
• Arute, F. et al. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574, 505–510.
• Материалы Российского квантового центра (РКЦ), МФТИ, НИТУ «МИСиС» (2017–2023).