Квантовая когерентность, определяемая как способность квантовой системы сохранять суперпозицию состояний, лежит в основе функционирования квантовых компьютеров. Однако поддержание когерентности в течение времени, достаточного для выполнения вычислений, остается одной из ключевых проблем. Именно здесь сверхпроводимость, явление нулевого электрического сопротивления в материалах при экстремально низких температурах, играет решающую роль. Сверхпроводящие кубиты, являющиеся основными элементами многих современных квантовых процессоров, используют уникальные свойства сверхпроводников для минимизации энергетических потерь и стабилизации квантовых состояний, что напрямую способствует увеличению времени когерентности.
Одним из главных преимуществ сверхпроводящих кубитов является их способность функционировать в макроскопических масштабах, сохраняя при этом квантовые свойства. Это достигается за счет использования джозефсоновских переходов — структур, состоящих из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. В таких переходах куперовские пары, электронные образования, ответственные за сверхпроводимость, туннелируют через барьер, создавая нелинейную индуктивность. Эта нелинейность позволяет точно настраивать энергетические уровни кубита, обеспечивая контроль над его состоянием с помощью внешних электромагнитных полей. Важно отметить, что джозефсоновские переходы не только формируют основу для создания кубитов, но и позволяют реализовать сложные схемы взаимодействия между ними, необходимые для выполнения квантовых операций.
Изображение: techspot.com
Сверхпроводимость также минимизирует диссипацию энергии, что критически важно для снижения декогеренции, вызванной взаимодействием с окружающей средой. В обычных материалах сопротивление приводит к рассеянию тепла и разрушению квантовых состояний, однако в сверхпроводниках отсутствие резистивных потерь позволяет сохранять когерентность на порядки дольше. Например, современные трансмоны — тип сверхпроводящих кубитов — демонстрируют время когерентности, достигающее сотен микросекунд, что значительно превышает показатели других платформ, таких как захваченные ионы или квантовые точки. Это достигается за счет оптимизации материалов, таких как ниобий или алюминий, и совершенствования методов изготовления, снижающих плотность дефектов в кристаллической решетке.
Помимо улучшения когерентности, сверхпроводящие кубиты обладают потенциалом для масштабирования. Используя технологии, аналогичные полупроводниковому производству, исследователи могут создавать массивы из тысяч кубитов на единой подложке. Однако масштабирование сталкивается с проблемами: увеличение числа кубитов усиливает риск перекрестных помех и требует более сложных систем охлаждения. Современные квантовые процессоры, такие как те, что разрабатываются IBM или Google, работают при температурах ниже 20 милликельвин, что необходимо для подавления тепловых флуктуаций и поддержания сверхпроводящего состояния. Эти условия обеспечиваются разбавленными холодильниками, которые, несмотря на свою сложность, стали стандартом в индустрии.
Перспективы дальнейшего улучшения когерентности связаны с инновационными архитектурами кубитов, такими как флаксониумы или кубиты на топологических изоляторах, которые сочетают устойчивость к шуму с высокой управляемостью. Параллельно ведутся работы по интеграции квантовых ошибок в коррекционные коды, чья эффективность напрямую зависит от времени жизни кубитов. Таким образом, синергия между сверхпроводимостью и квантовыми технологиями продолжает расширять границы возможного, приближая эру практического квантового превосходства.