Une équipe internationale de scientifiques de Russie, du Royaume-Uni et d'Allemagne a démontré une conception alternative de qubit qui peut être utilisée pour construire un ordinateur quantique. L'élément principal de cette conception est le nanofil supraconducteur. Déjà dans les premières expériences, un nouveau qubit supraconducteur s'est avéré ne pas être pire que les qubits traditionnels construits sur les jonctions Josephson.
Schéma et dessin d'un nouveau qubit Des collaborations de scientifiques du Russian Quantum Center et de NUST MISiS (Russie), de l'Université de Londres et du National Physical Laboratory de Teddington (Grande-Bretagne), de l'Université de Karlsruhe et de l'Institut des technologies photoniques (Allemagne), ainsi que de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de Skoltech (Russie) ont réussi à créer un qubit fondamentalement nouveau. basé non pas sur la jonction Josephson, qui est une discontinuité dans un supraconducteur, mais sur un nanofil supraconducteur continu. Chercheurs
publiés dans Nature Physics.
Les scientifiques prédisent de grandes réalisations à un ordinateur quantique. Le principe des calculs posé dans sa fondation permet même aujourd'hui de résoudre des problèmes extrêmement complexes. Bien qu'un ordinateur quantique universel lui-même n'ait pas encore été créé, les chercheurs peuvent déjà simuler des composés chimiques et des matériaux avec des qubits. Par conséquent, de nombreux groupes scientifiques travaillent à l'amélioration des éléments d'un ordinateur quantique. Un travail particulièrement dur est en cours pour étudier et améliorer la principale cellule de calcul d'un ordinateur quantique - le qubit.
Il existe plusieurs approches pour créer des qubits. Par exemple, des qubits fonctionnant dans la plage optique ont été créés. Cependant, ils sont difficiles à mettre à l'échelle, contrairement aux qubits sur les supraconducteurs fonctionnant dans la gamme radio et basés sur les soi-disant jonctions Josephson. Chacune de ces transitions est la rupture d'un supraconducteur, ou plutôt d'une couche diélectrique à travers laquelle les électrons se creusent un tunnel.
Le nouveau qubit est basé sur l'effet du glissement de phase quantique - destruction périodique contrôlée et restauration de la supraconductivité dans un nanofil ultramince (environ 4 nm d'épaisseur), qui dans l'état ordinaire a une résistance assez élevée. Pour la première fois, cet effet, prédit en théorie, a été observé expérimentalement par le chef de ce travail, Oleg Astafyev, maintenant chef du Laboratoire des systèmes quantiques artificiels du MIPT en Russie et professeur à l'Université de Londres et au National Physical Laboratory de Teddington au Royaume-Uni. Son travail de pionnier a été publié dans la revue Nature en 2012.
Professeur Alexey UstinovSelon l'un des auteurs des nouveaux travaux, Alexey Ustinov, qui dirige un groupe RCC en Russie et dirige le laboratoire des métamatériaux supraconducteurs du NITU MISiS, et est professeur à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, a maintenant réussi à créer un nouveau type de dispositifs supraconducteurs, très similaire au SQUID (SQUID, Dispositif d'interférence quantique supraconducteur - «interféromètre quantique supraconducteur», un magnétomètre super-sensible basé sur les jonctions Josephson). Ce n'est qu'au lieu d'un champ magnétique que les interférences dans un nouvel appareil sont causées par un champ électrique qui modifie la charge électrique sur un îlot entre deux nanofils. Ces fils jouent le rôle de jonctions Josephson dans l'appareil, alors qu'ils ne nécessitent pas la création de discontinuités et peuvent être constitués d'une seule couche d'un supraconducteur. Comme l'a noté Alexey Ustinov, dans ce travail, nous avons pu montrer que ce système peut fonctionner comme un interféromètre de charge. "Si vous divisez le fil en deux sections, faites un épaississement au centre, puis modifiez la charge sur l'épaississement par l'obturateur, vous pouvez, en fait, moduler périodiquement le processus de tunnelisation quantique des quanta magnétiques à travers le fil, qui est observé dans ce travail." C'est un point clé prouvant que l'effet est contrôlable et cohérent, et qu'il peut être utilisé pour créer des qubits de nouvelle génération.
Les technologies SQUID ont déjà trouvé leur application dans un certain nombre d'appareils de balayage médical, tels que les magnétocardiographes et les magnétoencéphalographes, dans les appareils qui captent la résonance magnétique nucléaire, ainsi que dans les méthodes géophysiques et paléogéologiques d'exploration des roches. Par conséquent, il est possible que les SQUID à double charge puissent provoquer de graves changements non seulement dans le monde des ordinateurs quantiques.
Selon le professeur Ustinov, les scientifiques sont toujours confrontés à de nombreuses tâches fondamentales liées à l'étude du travail d'un nouveau qubit. Cependant, il est maintenant clair que nous parlons de qubits qui n'ont pas moins (et peut-être plus) de fonctionnalités, mais qui sont beaucoup plus simples à fabriquer. «Maintenant, l'intrigue principale est de savoir s'il est possible de construire sur ce principe l'ensemble des éléments de l'électronique supraconductrice. - a noté le professeur Ustinov. - L'appareil que nous avons reçu, en principe, est un électromètre et mesure la charge induite sur l'îlot d'un supraconducteur avec une erreur des milliers de fois plus petite que la charge d'un électron. Nous pouvons le contrôler avec la plus grande précision, car cette charge n'est pas quantifiée, mais induite. »
«Maintenant, nous étudions les qubits sur le principe du glissement de phase dans mon groupe à Karlsruhe, et les temps de cohérence que nous obtenons sur eux sont étonnamment élevés. - dit le professeur Ustinov. - Jusqu'à présent, ils ne sont pas beaucoup plus gros que dans les qubits ordinaires, mais nous venons juste de commencer à travailler, et il y a une chance qu'ils soient grands. Par exemple, il y a encore un sujet important de défauts dans les qubits - nous avons récemment reçu une subvention de Google à ce sujet - ces défauts surviennent dans le diélectrique, dans la barrière tunnel de la jonction Josephson. Les défauts sont excités du fait que dans cette zone il y a de grands champs électriques, pratiquement toutes les chutes de tension sur une échelle de 2 nm. Si nous imaginons que la même goutte se produit dans un fil homogène, et on ne sait pas où, dans un "flou" uniforme à travers le supraconducteur, les champs qui se présenteront ici sont beaucoup plus petits. Cela signifie que les défauts du matériau du qubit n'apparaîtront probablement pas ici. Et cela signifie que nous pouvons obtenir des qubits avec un temps de cohérence plus élevé, ce qui aidera à faire face à l'un des principaux problèmes des qubits - pas trop longtemps de leur "vie" quantique. "