Инженеры из Исследовательского центра Юлиха (Forschungszentrum Jülich, Германия) создали первый в мире гибридный квантовый бит на основе топологических изоляторов, сделав важный шаг на пути к топологическим квантовым компьютерам.
Топологические кубиты обладают свойствами, которые однажды помогут добиться прорыва в разработке универсального квантового компьютера. До сих пор не удалось создать квантовый бит (для краткости — кубит) такого рода на практике. Но работа специалистов, представляющих Исследовательский центр Юлиха (о работе центра на «квантовой ниве» мы уже писали), приближает этот момент. Им удалось интегрировать топологический изолятор в обычный сверхпроводящий кубит. Гибридный кубит попал на обложку апрельского номера журнала Nano Letters.
Квантовые компьютеры считаются одной из наиболее перспективных технологий будущего. Использование квантовых эффектов в вычислительных машинах позволит решать задачи, которые не могут быть решены за приемлемое время на «традиционном», даже самом мощном, железе.
До широкого использования таких компьютеров ещё далеко. Первые такого рода устройства построены на небольшом количестве кубитов. Основная проблема квантовых компьютеров в том, что с усложнением системы усложняется и задача её изоляции от воздействия факторов окружающей среды, приводящих к сбоям.
Большие надежды возлагаются на новый тип квантового бита — топологический кубит. Работой в этом направлении занимается несколько исследовательских групп, в том числе одна из лабораторий компании Microsoft. Этот тип кубита обладает важной особенностью: он топологически защищён.
Особая геометрическая структура сверхпроводников, а также особые свойства их материала обеспечат сохранение квантовой информации. Поэтому будущие топологические кубиты считаются особенно надёжными и маловосприимчивыми к внешним источникам декогеренции. Также они, по-видимому, должны достаточно быстро переключаться — сравнимо с тем, как это делают сверхпроводящие кубиты Google и IBM в современных квантовых процессорах.
Однако стоит понимать, что речь о несуществующих устройствах — пока неясно, удастся ли вообще когда-либо создать топологические кубиты. Проблема — в недоступной нам на данный момент генерации специальных квазичастиц, также известных как состояния Майораны. Они предсказаны теоретически, но не обнаружены экспериментально. Гибридные кубиты, созданные в Исследовательском центре Юлиха, открывает новые возможности. Они уже содержат в критических точках топологические материалы. Таким образом, этот новый тип гибридного кубита становится платформой для проверки поведения топологических материалов в высокочувствительных квантовых цепях.
Интервью о ходе исследования
На сайте Forschungszentrum Jülich опубликовано интервью разработчиков — д-ра Питера Шюффельгена (Dr. Peter Schüffelgen), главы рабочей группы по топологическим квантовым вычислениям в Институте полупроводниковой наноэлектроники Питера Грюнберга (Peter Grünberg Institute) и Тобиаса Шмитта (Tobias Schmitt).
Что такое гибридный кубит?
Кубит, над которым мы работаем, является новым трансмонным кубитом. Трансмоны — основа современных сверхпроводящих квантовых компьютеров и используются в новейших квантовых процессорах лидерами рынка, включая IBM, Google и Rigetti. Основной компонент трансмона — джозефсоновский переход, который состоит из двух сверхпроводящих электродов, разделённых тонким слоем изоляции. Вместо обычного изолятора, используемого в обычных трансмонах, нам впервые удалось интегрировать топологический изолятор между двумя сверхпроводящими электродами.
Это и называется гибридным кубитом, поскольку в дополнение к сверхпроводнику в схему интегрирован второй квантовый материал — топологический изолятор. Как и в случае с обычными трансмонами, квантовые состояния здесь определяются осциллирующими токами в сверхпроводящей квантовой цепи. Однако в нашем гибридном кубите эти токи протекают через топологический изолятор. Таким образом, наше модифицированное устройство функционирует так же, как обычный трансмонный кубит, но предлагает расширенный диапазон возможных применений благодаря особым свойствам топологического изолятора.
Топологические изоляторы в настоящее время находятся на пике интереса, а теоретическое обоснование их существования отмечено Нобелевской премией по физике в 2016 году. Что делает эти материалы особенными?
Топологические изоляторы открыты в 2006 году и представляют собой совершенно новый класс материалов. В то время как внутренняя часть трёхмерного топологического изолятора изолирует, двумерная поверхность ведёт себя как проводящий металл. Это можно сравнить с кубом полистирола, завёрнутым в фольгу, с одним важным отличием: атомы внутри топологического изолятора идентичны атомам его поверхности.
Металлическая поверхность топологического изолятора также имеет ещё одну особенность: электроны, которые он содержит, обладают особыми свойствами. Их спин — своего рода вращение вокруг собственной оси, типичное для электронов (о том, что такое спин — в Википедии) — зависит от точного направления, в котором движутся электроны. Это означает, что электрон, движущийся в определённом направлении, например, влево, имеет очень специфический спин — например, «вверх». Соответственно, другие электроны, движущиеся в противоположном направлении, имеют прямо противоположный спин — в данном случае «вниз».
Интегрируя эти специальные квантовые материалы в сверхпроводящие схемы, мы надеемся получить новый кубит, известный как топологический или майорановский кубит, который обладает внутренней защитой от квантовых ошибок. Ожидается, что этот тип кубита обеспечит длительное время когерентности — меру времени жизни квантовых состояний, а также обеспечит быстрое время переключения. В одной платформе он объединит преимущества двух основных конкурирующих платформ кубитов, а именно ионных ловушек с длительным временем когерентности и трансмонов с быстрым временем переключения (затвора).
Каково значение нового гибридного кубита для исследований и разработок топологических кубитов?
Важным шагом на пути к получению майорановских кубитов становится интеграция топологических изоляторов в сверхпроводящие квантовые схемы. И это именно то, чего мы достигли в нашем последнем исследовании. Вместо того, чтобы интегрировать топологический изолятор непосредственно в сложный майорановский кубит, мы сначала интегрировали его в обычный трансмонный кубит, поскольку мы уже знаем, как ведёт себя это устройство.
Несмотря на годы интенсивных исследований и разработок, никому до нас не удалось интегрировать топологические изоляторы в сверхпроводящие квантовые схемы. Это в основном связано с тем, что топологические изоляторы чрезвычайно чувствительны к повреждениям. Как только они покидают сверхвысокий вакуум, в котором производятся, и подвергаются воздействию воздуха, они часто теряют свои особые свойства.
Ключом к нашему успеху стало создание всех частей кубита в вакууме, что предотвращает деградацию топологического изолятора при контакте с воздухом. Таким образом, основной компонент — джозефсоновский переход, упомянутый ранее, — был полностью изготовлен в сверхвысоком вакууме и сохранён защитным покрытием. Эта специальная технология изготовления разработана в Исследовательском центре Юлиха с помощью специалистов Университета Твенте и впервые используется для производства кубитов.
Квантовые чипы, изготовленные таким образом, стали первыми гибридными кубитами на основе топологических изоляторов, в которых удалось продемонстрировать квантовую когерентность. Измерения проводились совместно с нашими коллегами в Лондоне и Копенгагене в различных низкотемпературных лабораториях.
Интеграция топологического изолятора не улучшает когерентность или восприимчивость к ошибкам сверхпроводящих трансмонных кубитов напрямую. Однако базовая демонстрация квантовой когерентности для этих материалов и их совместимость со сверхпроводящими кубитами и сверхпроводящими схемами открывает целый ряд новых экспериментальных возможностей. В конечном итоге сверхпроводящие кубиты и сверхпроводящие схемы являются не просто платформой для обработки квантовой информации — они также могут быть использованы для более детального исследования топологических изоляторов и поиска дальнейших доказательств существования майорановских нулевых мод, особых квазичастиц, которые представляют собой основные строительные блоки для топологических кубитов.
Получены ли какие-либо практические результаты?
Что касается непосредственно разработки топологического кубита, наши результаты представляют собой важный шаг на пути к его технической реализации. Например, некоторые концепции считывания кубитов Майораны предлагают их интеграцию в сверхпроводящие кубитные схемы. Этот подход выигрывает от наличия готовой технологии управления и считывания, которая была разработана для обычных сверхпроводящих кубитов. Наша работа показывает, что топологические изоляторы могут быть интегрированы в такие схемы масштабируемым образом.
Также стоит подчеркнуть, что наш техпроцесс работы в сверхвысом вакууме не ограничивается топологическими изоляторами. Широкий спектр материалов, выращенных на кремнии, может быть интегрирован в кубиты с помощью нашей техники. Это особенно важно, так как пригодность основных классов материалов для топологических квантовых вычислений (InAs и InSb) в настоящее время является предметом критического обсуждения. Лежащий в основе процесс позволяет эффективно интегрировать многие другие топологические материалы в квантовые схемы, в том числе некоторые недавно идентифицированные, и, таким образом, может дать важный импульс для области топологических квантовых вычислений.
Какими будут ваши следующие шаги?
Нашим следующим шагом будет попытка продемонстрировать топологические свойства наших гибридных кубитов на основе топологических изоляторов и найти доказательства существования майорановских нулевых мод в этих устройствах.
После нашей успешной интеграции отдельной нанопроволоки топологического изолятора в трансмонный кубит следующим шагом будет интеграция всей сети нанопроволок в квантовую схему. Эти сети потребуются в будущих майорановских кубитах для перемещения майоран относительно друг друга и, таким образом, выполнения топологически защищённых квантовых операций. Мы уже продемонстрировали, что постройка этих сетей легко возможна с помощью процесса, разработанного в стенах Исследовательского центра Юлиха.