Алюминий защитит квантовые компьютеры

Материал продемонстрировал отличные шумозащитные свойства для сверхпроводящих кубитов. О технологии, которая открывает перспективы создания нового поколения сверхпроводящих устройств, опубликована статья в  Nature Materials.

Сверхпроводники являются одним из наиболее эффективных и перспективных материалов для обеспечения работы  новейших квантовых цепей, где низкое активное сопротивление постоянному электрическому току критически важно для сохранения квантовых свойств и производительности системы.

Но низкое активное сопротивление выливается в низкое сопротивление переменному току (низкий импеданс), из-за чего кубиты (квантовые биты), включенные в одну цепь с такими сверхпроводниками, на высоких частотах становятся чувствительны к различным электромагнитным «шумам» извне.

Международный исследовательский коллектив, состоящий из ученых НИТУ «МИСиС» и Технологического института Карлсруэ (Германия) нашел сравнительно простой способ защитить сверхпроводящие кубиты от шума.  Для этого они добавили в цепь так называемый супериндуктор – сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току.

В качестве материала для супериндуктора были взяты пленки гранулированного алюминия (grAl) – сверхпроводящего материала, содержащего смесь чистых наноразмерных зерен алюминия и аморфного оксида алюминия. Сам материал был известен как сверхпроводник еще с середины XX века, однако до недавнего времени его поведение в высокочастотных диапазонах (как раз в таких и работают квантовые системы) не изучалось.

«В своем эксперименте мы включили пленки grAl как в сам кубит, так и в резонатор – элемент цепи, «считывающий» состояние кубита. Благодаря тому, что в кубите изначально присутствует алюминий (в так называемых джозефсоновских контактах), изготовить цепь вместе с супериндукторами удалось за один технологический проход», – рассказывает Алексей Устинов, один из авторов исследования, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», руководитель группы Российского квантового центра, профессор Технологического института Карлсруэ.

Такая упрощенная система изготовления цепи дает существенное преимущество по сравнению с более ранними супериндукторами, которые изготавливались из множества сверхпроводящих элементов с более низким сопротивлением переменному току. Для достижения высокого комплексного сопротивления эти сверхпроводящие элементы приходилось объединять в большие массивы, что существенно «утяжеляло» архитектуру квантовой цепи.

Теперь, благодаря использованию в качестве супериндуктора гранулированного алюминия, удалось защитить сверхпроводящий кубит от шума и помех, не «затормозив» при этом его работу (не нарушив квантовую когерентность). Как поясняют ученые, разработка открывает возможности для проектирования широкого ряда новых и более эффективных квантовых систем: от защищенных цепей обработки информации до фотонных детекторов для космической отрасли.

НИТУ МИСИС

57 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше