Российские учёные впервые создали сверхпроводящий кубит

Оборудование, на котором был изготовлен первый российский кубит

(фото Ivan Khrapach/RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics).

Кубит под электронным микроскопом с увеличением в 16 тысяч раз

(фото Ivan Khrapach/RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics).

Учёные Российского квантового центра, Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, МИСиСа и ИФТТ РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит — основной элемент будущих квантовых компьютеров, которые смогут превзойти самые мощные современные суперкомпьютеры.

"Это важный шаг, необходимый для создания квантовых вычислительных устройств, которые в будущем произведут революцию в области вычислительной техники", — говорит генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов.

Квантовые биты или кубиты — главный составной элемент будущих квантовых компьютеров. Они работают благодаря эффектам квантовой физики, в частности, эффекту квантовой суперпозиции, позволяющему частице (тому самому квантовому биту) принимать различные значения ("0" и "1") одновременно. Как считают учёные, квантовые компьютеры позволят совершить следующий большой скачок в области вычислений.

Поясним. Элементы классических компьютеров могут хранить только один бит ― "1" или "0". Кубиты — это квантовые объекты, которые могут находиться в суперпозиции двух состояний, то есть кодировать одновременно логическую единицу и ноль, что создает принципиально новые возможности для обработки информации. Компьютер на нескольких тысячах кубитов может легко превзойти мощнейшие современные суперкомпьютеры в решении целого ряда вычислительных задач.

В роли кубитов могут выступать атомы или электроны, данные в этом случае "кодируются" в их спине. Однако, проблема в том, что такие кубиты крайне неустойчивы к внешним воздействиям, их состояние легко разрушается из-за внешних "шумов". Процедура считывания и записи информации на них крайне сложна, как и ловушки, которые используются для их хранения.

В начале 2000-х годов учёные обнаружили, что можно создавать "искусственные атомы", которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но значительно проще в использовании.

Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты, состоящие из двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут "просачиваться" сквозь диэлектрик вследствие эффекта квантового туннелирования.


Кубит под электронным микроскопом с увеличением в 16 тысяч раз
(фото Ivan Khrapach/RQC, MIPT, MIS&S, Institute of Solid State Physics).

Как отмечается в пресс-релизе МФТИ, кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, ведут себя как атомы. Они могут находиться в основном и возбужденном состоянии, излучать и поглощать фотоны. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано современное производство микросхем.

Теперь группа учёных из российских физических институтов, работающая под руководством Олега Астафьева из МФТИ, Алексея Устинова из РКЦ и Валерия Рязанова из ИФТТ, впервые создала сверхпроводящий кубит в российской лаборатории.

Созданные исследователями кубиты состоят из четырёх джозефсоновских контактов на "петле" размером в один микрометр. Контакты сконструированы из алюминиевых полос, разделённых слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около двух нанометров. Учёные прозондировали устройство микроволновым излучением и определили, что его свойства соответствуют заданным теоретическим параметрам.

"Мы создали инструмент, средство для проведения дальнейших исследований в области квантовых вычислений. С его помощью мы сможем достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире", — отмечает Олег Астафьев.

"Наша работа свидетельствует о том, что в России теперь есть технологии и команды учёных, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров", — считает Алексей Устинов.

У учёных пока нет единого мнения относительно того, сколько времени понадобится на создание готового к практическому использованию квантового компьютера. Но, по оптимистичным прогнозам, первый работающий образец можно ожидать уже через 5-10 лет.