Физики сделали из сверхпроводника "кота Шрёдингера" для квантовых компьютеров

Физики разработали новый перспективный тип кубитов из сверхпроводящего материала. Это достижение приближает эру квантовых вычислений.

Подробности описаны в научной статье, опубликованной в журнале Science группой во главе с Чиа-Лин Чянем (Chia-Ling Chien) из Университета Джона Хопкинса.

Напомним, что такое квантовые компьютеры. Единицей хранения информации в обычном компьютере является бит, который может принимать только значения 0 или 1. Однако, согласно законам квантовой механики, есть и другие варианты.

Если квантовая система может находиться в двух состояниях, то она может находиться и в суперпозиции ("смеси") этих состояний. Примером является знаменитый кот Шрёдингера, который находится в суперпозиции состояний "жив" и "мёртв". У квантовой суперпозиции нет аналогов в нашем повседневном опыте, поэтому её трудно себе представить. Физики описывают это явление с помощью высшей математики и подтверждают его существование многочисленными экспериментами.

Благодаря тому, что квантовая система может находиться не только в двух состояниях 0 и 1, но и в их суперпозиции, она способна хранить больше информации. Это уже не бит, а квантовый бит, или кубит. Компьютер, который вместо битов использует кубиты, называется квантовым компьютером.

Физически кубит может быть реализован самыми разными способами. Например, в качестве кубита можно использовать отдельный атом, но это решение непрактично: атомы уж очень маленькие.

Потенциально квантовые компьютеры обладают огромной вычислительной мощью по сравнению с привычными ЭВМ. Их внедрение способно перевернуть жизнь человечества, ведь сегодня компьютерные вычисления используются везде, от разработки лекарств до создания самолётов. Однако перед этим нужно решить многочисленные технологические проблемы. В частности, необходимо разработать кубиты, удобные в массовом производстве и вместе с тем надёжно работающие в компьютере.

"Реалистичной, осязаемой реализацией кубита может быть кольцо из сверхпроводящего материала, известного как потоковый кубит, в котором одновременно могут существовать два состояния с электрическим током, текущим по часовой стрелке и против часовой стрелки", – рассказывает Чиа-Лин Чянь.

Однако чтобы сделать подобный кубит из традиционного сверхпроводника, нужно приложить к нему очень точно подобранное магнитное поле. В реальной вычислительной системе, содержащей тысячи или миллионы кубитов, такая тонкая настройка каждого из них была бы невозможна.

Авторы нового исследования обнаружили сверхпроводник, кольцо из которого превращается в потоковый кубит без внешнего магнитного поля. Это соединение висмута и палладия (β-Bi₂Pd).

"Кольцо из β-Bi₂Pd уже существует в идеальном состоянии и не требует каких-либо дополнительных модификаций для работы, – говорит первый автор статьи Юйфань Ли (Yufan Li), также из Университета Джона Хопкинса. – Это может изменить правила игры".

Теперь физики надеются найти в этом материале определённые квазичастицы (мы подробно рассказывали о том, что это такое). А именно исследователей интересуют фермионы, которые являются собственными античастицами. Эти так называемые майорановские фермионы помогут разработать отказоустойчивые кубиты следующего поколения. И, по косвенным признакам, они действительно есть в сверхпроводящем β-Bi₂Pd.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о первом сверхпроводящем кубите и обученных кубитах.