Впервые в России создан работающий кубит – базовый элемент, необходимый для создания квантовых компьютеров.

С тех пор как в 1980-м году известным советским математиком Ю.И. Маниным была высказана идея квантовых вычислений, в этом направлении ведутся активные работы, ведь создание квантовых компьютеров сулит существенный прогресс в вычислительной технике. По некоторым оценкам вычислительные возможности одного такого устройства могут превосходить все современные компьютеры мира, вместе взятые. Однако, несмотря на создание еще в 2001 году первого прототипа, полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан. Для этого нужны как дальнейшее развитие квантовой теории в области многих частиц, так и работы по созданию необходимой элементной базы.

Полученный кубит под электронным микроскопом при увеличении в 16 тысяч раз.

Оборудование Российского квантового центра, на котором получен кубит.

Спектр кубита

В первую очередь речь идет о создании базового элемента для хранения информации в таком компьютере – кубите. Это название произошло от словосочетания «квантовый бит» (по-английски: quantum bit). В квантовом компьютере он играет ту же роль, что и бит в обычном компьютере. Однако бит может принимать (хранить) только два значения, которые традиционно обозначают 0 и 1. В отличие от бита кубит допускает не только два собственных состояния, но и их суперпозицию, сумму в определенных пропорциях. В результате количество состояний кубита бесконечно, что и определяет возможности квантового устройства по обработке информации. Компьютер из нескольких тысяч кубитов может легко превзойти мощнейшие современные суперкомпьютеры в решении целого ряда вычислительных задач.

В роли кубитов могут выступать атомы или электроны, в этом случае данные кодируются их спином. Однако 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.

Еще в начале 2000-х годов ученые обнаружили, что можно создавать «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но значительно проще в использовании. Одним из самых перспективных таких объектов признан джозефсоновский контакт, который представляет собой два сверхпроводника, разделенных тонким слоем несверхпроводящего материала, которым может быть диэлектрик или проводник. Электроны тока, порождаемого в сверхпроводнике, благодаря туннельному эффекту проходят через этот слой, даже если он диэлектрический, т.е ток не проводит. Этим током достаточно легко управлять магнитным полем. 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.

Над созданием работоспособных кубитов успешно работают в целом ряде ведущих стран мира. В России это стратегическое направление науки традиционно было представлено слабо. Но сейчас успех пришел и к россиянам. Его удалось достичь при объединении усилий сразу нескольких ведущих российских научных организаций. Ученые Российского квантового центра, МФТИ (Лаборатория искусственных квантовых систем при участии Технологического центра), МИСиС и ИФТТ РАН создали первые в России образцы работающих сверхпроводящих кубитов. Работы велись под руководством Олега Астафьева (со стороны МФТИ), Алексея Устинова (со стороны РКЦ) и Валерия Рязанова (со стороны ИФТТ).

Созданные россиянами кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон. Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров. Ученые прозондировали устройство микроволновым излучением и определили, что его свойства соответствуют заданным параметрам.

Это событие может рассматриваться как прорыв в области российских квантовых технологий. Развитие таких технологий и методов контроля единичных квантовых систем, открывает перспективу создания принципиально новых приборов и устройств на основе сверхпроводниковых элементов. Сами ученые так прокомментировали свое открытие:

«Это важный шаг, необходимый для создания квантовых вычислительных устройств, которые в будущем произведут революцию в области вычислительной техники», – сказал генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов.

«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», – отметил Олег Астафьев.

«Наша работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров», – добавил Алексей Устинов.

По материалам Российского квантового центра  и МФТИ