Фізики розрахували час стану суперпозиції графенових кубітів

Можливість практичного використання квантових комп'ютерів стала ще на один крок ближче завдяки графену. Фахівці з Массачусетського технологічного інституту і їх колеги з інших наукових установ змогли провести розрахунок часу суперпозиції, в якій можуть знаходитися кубіти, побудовані на базі графену. Про результати дослідження повідомляє стаття Nature Nanotechnology.

Ідея квантової суперпозиції добре ілюструється знаменитим уявним експериментом, який отримав назву «кіт Шредінгера». Уявіть собі коробку, в яку помістили живого кота, атом, що випромінює радіацію з певною ймовірність і пристрій, що випускає смертельний газ, коли виявляє радіацію. Закриваємо коробку на півгодини. Питання: кіт у коробці живий чи мертвий? Якщо ймовірність того, що газ випускається раз на годину, то шанси на те, що кіт у коробці живий або мертвий становлять 50 на 50. Іншими словами, кіт існує в суперпозиції будучи одночасно «наполовину мертвим» і «наполовину живим». Для підтвердження поточного стану необхідно відкрити коробку і подивитися, але в той же час цим ми руйнуємо стан суперпозиції.

Квантові комп'ютери використовують той самий принцип суперпозиції. Традиційні комп'ютери зберігають і обробляють інформацію в бітах, що працюють у двійковій системі виміру інформації – дані набувають стан «нулів» або «одиниць», які розуміються комп'ютером у вигляді тих чи інших команд. У квантових ж комп'ютерах використовуються, ні, не напівмертві і напівживі коти, а кубіти — елементарні одиниці інформації, які можуть набувати одночасне стан «нулів» і «одиниць». Така особливість дозволяє їм істотно перевершувати в обчислювальних можливостях звичайні комп'ютери. При цьому чим довше кубіти можуть залишатися в цьому стані (так же відомим, як час когерентності), тим більш продуктивним буде квантовий комп'ютер.

Вченим не було відомо час когерентності кубітів на основі графена, тому в новому дослідженні вони вирішили його розрахувати і одночасно переконатися в тому, чи здатні такі кубіти перебувати в суперпозиції. Як виявилося, можуть. Згідно з розрахунками, час суперпозиції графенових кубітів становить 55 наносекунд. Після цього вони повертаються у свою «звичне» стан «нуля».

«У цьому дослідженні нами рухала мотивація можливості використання властивостей графену для поліпшення продуктивності надпровідних кубітів. Ми вперше показали, що складається з графена надпровідний квантовий біт може тимчасово приймати стан квантової когерентності, що є ключовою умовою для побудови більш складних квантових ланцюгів. Ми створили пристрій, який дозволив вперше виміряти час когерентності графенового кубіта (первинної метрики кубіта) і з'ясувати, що час суперпозиції цих кубітів володіє достатньою тривалістю, дозволяючи людині керувати цим станом», — коментує роботу провідний автор дослідження Джоел І-Ян Ван.

Може здатися, що час когерентності в 55 наносекунд для кубіта – це не так вже й багато. І ви не помилитеся. Це насправді небагато, особливо враховуючи, що кубіти, створені на базі інших матеріалів, показували час когерентності, в сотні разів перевершують цей показник, опосередковано засвідчуючи про те, що для квантових комп'ютерів вони володіють більш високою продуктивністю. Однак графенові кубіти володіють своїми перевагами над іншими видами кубітів, відзначають дослідники.

Наприклад, графен володіє однією дуже дивною, але корисною особливістю – він здатний набувати властивість надпровідності, «копіювання» її у сусідніх надпровідних матеріалів. Вчені з Массачусетського технологічного інституту перевірили це властивість, помістивши тонкий аркуш графена між двома шарами нітриду бору. Розташування графена між цими двома шарами надпровідного матеріалу показав, що графенові кубіти можуть перемикатися між станами при впливі на них енергії, а не магнітного поля, як це відбувається в кубітах з інших матеріалів.

Перевага такої схеми полягає в тому, що кубіт в цьому випадку починає діяти, швидше, як традиційний транзистор, відкриваючи можливість об'єднання більшого числа кубітів на одному чіпі. Якщо говорити про кубітах на базі інших матеріалів, то вони працюють при використанні магнітного поля. У цьому випадку в чіп довелося б інтегрувати струмовий петлю, яка в свою чергу займала б додатковий простір на чіпі, а також заважала найближчим кубитам, що призводило до помилок в обчисленнях. Учені додають, що використання графенових кубітів більш ефективно, оскільки два зовнішніх шари нітриду бору виступають в якості захисної оболонки, захищаючи графен від дефектів, через які могли б просочуватися біжать по ланцюгу електрони. Обидві ці особливості можуть дійсно допомогти у створенні практичних квантових комп'ютерів.

Малий час когерентності графенових кубітів вчених зовсім не лякає. Дослідники відзначають, що зможуть вирішити це питання, змінивши структуру самого графенового кубіта. Крім цього, фахівці збираються більш детально розібратися в тому, як через ці кубіти переміщаються електрони.

Обговорити наближення ери квантових обчислень можна .