Вчені Єльського університету та Національної лабораторії Брукхейвена підвищили час роботи надпровідних квантових пристроїв за рахунок нового підходу до дизайну мікросхем та вибору матеріалів. Нова парадигма дозволила збільшити час когерентності кубітів до однієї мілісекунди. Результати опубліковані у журналі Nature communications.
Вчені Єльського університету та Національної лабораторії Брукхейвена підвищили час роботи надпровідних квантових пристроїв за рахунок нового підходу до дизайну мікросхем та вибору матеріалів. Нова парадигма дозволила збільшити час когерентності кубітів до однієї мілісекунди. Результати опубліковані в журналі Nature Сommunications.
Квантові комп’ютери сьогодні створюються на надпровідних матеріалах. Квантові обчислення засновані на використанні кубитів – одиниць запам’ятовування інформації, здатних набувати значення нуль, один і суперпозицію цих значень, бути одночасно нулем і одиницею. У цій парадигмі обчислення значно пришвидшуються. Матеріали, що використовуються для створення квантових комп’ютерів, дозволяють використовувати також явище надпровідності – забезпечувати протікання електричного струму без втрат. Однак не всі проблеми мінімізуються надпровідністю.
Питання розсіювання енергії є критичними для квантових комп’ютерів. Воно заважає кубитам залишатися у робочому режимі. Когерентність — стан, у якому кубити здатні працювати з максимальною продуктивністю, — доводиться підтримувати, зокрема рахунок зменшення обчислювальних потужностей всього комп’ютера. Тому для розвитку квантових обчислень важливо знайти способи збереження когерентного стану якнайдовше.
Вчені зосередилися на вивченні механізмів втрат енергії у надпровідних квантових схемах. Було відомо, що використання танталу дозволяє утримувати когерентність кубитів до трьох десятих мілісекунди. Дослідники виявили, що поєднання очищеної випалом сапфірової підкладки та танталу значно знижує енергетичні втрати на поверхні та в обсязі діелектриків. Використання танталу забезпечує високу якість переходів між шарами, що становлять кубити, метал покращує якість поверхні та, як наслідок, інтерфейсів з іншими матеріалами. Відпал сапфірових підкладок при 1200 °З постійної подачі кисню призводить до значного зниження діелектричних втрат в об’ємі готового кубіту. Експериментальні дані, отримані для структур із танталу та алюмінію, підтвердили теоретичні розрахунки.
Крім того, дослідники оптимізували геометрію пристроїв. Кубіт склали з трьох тонкоплівкових надпровідних смуг, нанесених на підкладку. Смуги були розташовані так, щоб можна було не лише кількісно оцінити втрату енергії, а й визначити, де вона відбувається. Завдяки вибраній архітектурі вдалося точно розрізнити поверхневі втрати та об’ємні діелектричні втрати.
В результаті було складено структуру, що дозволяє в рамках існуючих техпроцесів розташовувати на одній мікросхемі кілька кубитів з поліпшеними характеристиками. Отримані елементи, що запам’ятовують, мають часовий проміжок між сигналами в процесі визначення когерентності в діапазоні від 2,0 до 2,7 мілісекунди, що обмежується часом релаксації енергії від 1,0 до 1,4 мілісекунди. Ці результати значно перевершують попередні досягнення в області квантової пам’яті на тонкоплівкових пристроях. Новий підхід дозволив утричі збільшити час стану когерентності — з трьох десятих мілісекунди до однієї мілісекунди.
Дослідження щодо характеристики втрат, представлені в цій роботі, показали чіткі та реалістичні шляхи для покращення когерентності у надпровідних кубітах. Розробка більш спеціалізованих архітектур і процесів або використання матеріалів з меншими втратами в чітко ідентифікованій області кубитів критично важливі для підвищення когерентності системи. Крім того, зниження поверхневих втрат повинно супроводжуватися оптимізацією об’ємних діелектричних втрат, що дозволяє досягти проектування мікросхем з урахуванням втрат енергії.