В России впервые создали сверхпроводящий кубит

В российской лаборатории впервые удалось создать сверхпроводящий кубит — функциональный элемент квантовых компьютеров (как бит в обычных компьютерах). Над его созданием работала группа исследователей под руководством Олега Астафьева (МФТИ), Алексея Устинова (Российский квантовый центр) и Валерия Рязанова (Институт физики твердого тела РАН).

По словам Алексея Устинова, теперь Россия может «включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров». В 2013 году российские ученые уже проводили измерение кубита, но сам элемент тогда был произведен в Германии.

Полученный в России кубит создан из петли микронных размеров из типичного металла-проводника, в которой сделаны четыре тонких разрыва по два нанометра каждый (1000 нанометров = 1 микрон). Зазоры заполнены диэлектриком, не проводящим ток.

После того, как вся конструкция охлаждается до температуры, близкой к абсолютному нулю, возникает эффект Джозефсона — через участки с диэлектриками начинает течь сверхпроводящий ток. За ноль в таком кубите принимается незатухающий ток, бегущий по сверхпроводящему кольцу по часовой стрелке, а за единицу — в обратном направлении.

Однако кубит, в отличие от транзисторов обычной электроники, может занимать не только состояния чистого нуля и единицы. После наступления состояния сверхпроводимости направление тока может спонтанно меняться на противоположное с некоторой вероятностью — это явление называется состоянием квантовой суперпозиции. Чтобы описать полное состояние кубита, используется пара комплексных чисел, сумма квадратов которых равна единице (например, если обозначить числа как A и B, то |A|² + |B|² = 1).

Параллельно работе над классическими кубитами, в последние годы группа Валерия Рязанова в ИФТТ ведет разработку кубитов нового типа, позволяющих использовать так называемые сверхпроводящие фазосдвигатели, устройства, которые представляют собой джозефсоновские переходы на основе «сверхпроводник ― ферромагнетик ― сверхпроводник», также известные как пи-контакты.

Кубиты используются для построения квантовых компьютеров — в отличие от классических компьютеров, они используют явления и эффекты квантовой механики. Вычисления в них носят вероятностный характер, то есть решение задачи выдается не точно, а с некоторой вероятностью. В некоторых прикладных задачах квантовые алгоритмы работают значительно быстрее классических аналогов.

Полноценные квантовые компьютеры пока построены не были, однако уже существуют ограниченные версии, включающие до 512 кубитов.