Квантовий біт із високотемпературного надпровідника - Spotfolio GmbH; Співпраця
Дослідники пропонують матеріали для потужних і компактних квантових комп’ютерів
Юліх, лютий 2020 р. Вони насправді мали іншу мету, але вчені з Юліха, Мюнстера та Москви знайшли спосіб, за допомогою якого квантові комп’ютери можуть прокласти шлях до спеціалізованих лабораторій та до більш широкого розповсюдження. Ключ до цього - матеріал для кубітів, який не потрібно охолоджувати майже до абсолютного нуля.
У майбутньому квантові комп’ютери повинні мати можливість вирішувати певні розрахунки набагато швидше, ніж найшвидші суперкомп’ютери у світі. Це може бути корисним для різноманітних питань, від оптимізованого управління дорожнім рухом до розробки більш потужних матеріалів до дослідження активних інгредієнтів для нових препаратів. Однак квантові комп'ютери в даний час доступні лише як прототипи в лабораторії або для спеціальних застосувань.
Паралельно застосовуються різні технологічні стратегії для реалізації більш потужних квантових комп'ютерів. Кубіти, біти квантових комп'ютерів, можуть складатися із захоплених іонів або надпровідних ланцюгів. В обох випадках необхідні складні системи охолодження, які доводять кубіти до температури близько -273 ° C, що відповідає трохи більше 0 Кельвінам. Вони такі ж дорогі, як сімейний будинок, і займають більше місця, ніж великий холодильник.
Дослідники з Юліха, Мюнстера та Москви зараз виявили, що надпровідні кубіти, можливо, можуть бути виготовлені не тільки із звичайних низькотемпературних надпровідників, але і з високотемпературних надпровідників, а це означає, що набагато дешевшої технології охолодження розміром з невелику валізу буде достатньо. Також повинна бути можливість розміщення на мікросхемі більшої кількості таких кубітів, ніж раніше, і обчислювальна швидкість, яку можна досягти, повинна бути збільшена на порядки. Останнє обумовлено, серед іншого, більшою тривалістю життя збудженого стану щонайменше 20 мілісекунд при 5 Кельвінах.
Дослідники навколо професора Рафала Дуніна-Борковського, директора Інституту Юліха Ернста Руської-Центру та Інституту Пітера Грюнберга, та червня-проф. Лікар. Карстен Шук з університету Мюнстера щодо компонентів для однофотонних детекторів, для яких нижче охолодження повинно бути достатнім. Такі детектори потрібні, наприклад, для шифрування даних за допомогою квантової криптографії. Робоча група Шука має великий досвід у розробці однофотонних детекторів на основі низькотемпературних надпровідників.
Основою нового детектора має стати нанопровід із ітрію-барію-оксиду міді (YBCO), матеріалу, який є надпровідним навіть нижче порівняно теплого −181,15 ° C. Юліх має багаторічний досвід у виробництві високоякісних тонких плівок з цього високотемпературного надпровідника та має унікальні пристрої та методи, деякі з яких розроблені власноруч. Дослідники в Юліху за допомогою сфокусованого іонного пучка вирізали необхідні дроти у формі з тонких шарів.
"Ми експериментували з нанопроводами різної ширини, дозволяли фотонам потрапляти в них і вимірювали опір, який це створює у надпровіднику", - повідомляє фізик д-р. Матвей Лятті, який спочатку досліджував проект у Мюнстері, а згодом у Юліху. Виявлення фотонів базується на цьому принципі. "Але результати при ширині нижче 100 нанометрів не виправдали наших сподівань".
Як виявилося, квантові ефекти виникають при 12-13 Кельвінах: надпровідна нанопровід приймає лише вибрані енергетичні стани. Вони можуть бути використані для кодування інформації. Для звичайних квантових бітів потрібні температури в кілька сотень разів нижчі, яких досягти набагато складніше.
"Наші результати були настільки дивовижними, що ми навряд чи могли повірити самі", - згадує фізики Юліха д-р. Ірина Гундарєва. Але вимірювання в підсумку також переконали спочатку скептично налаштованих рецензентів у публікації результатів у Nature Communications.
Дослідники продовжать свою роботу над нанопроводами YBCO і планують розробити надпровідні квантові схеми на основі нанопроволок у найближчі роки, з кінцевою метою зробити компактним настільним квантовим комп'ютером можливим. Крім того, вони переслідують свою мету - нові надпровідні однофотонні детектори, які можуть охолоджуватися компактними кріоохладителями. Досліджені нанодроти YBCO виявилися придатними і для цього і показали значні переваги перед існуючою технологією з точки зору необхідної температури охолодження та тимчасового дозволу сигналу.
Додаткова інформація: https://www.fz-juelich.de/