Золото на 10 атомов спасло кубиты: физики закрыли главную уязвимость квантовых процессоров
NewsMakerКомпьютеры будущего больше не испугаются атомного шума.
Одна из самых серьёзных проблем, тормозящих развитие квантовых компьютеров , возможно, получила долгожданное решение. Исследовательская группа из Университета Калифорнии в Риверсайде под руководством физика Пэна Вэя предложила способ устранения микроскопических дефектов на поверхности сверхпроводников — материалов, лежащих в основе большинства современных квантовых вычислительных систем. Суть метода заключается в нанесении на поверхность ниобия — одного из наиболее распространённых сверхпроводящих металлов — кристаллического слоя золота толщиной всего около десяти атомов.
Проблема, с которой сталкиваются разработчики квантовых процессоров, заключается в нестабильности кубитов — квантовых аналогов классических битов. В отличие от бинарных 0 и 1, кубит способен одновременно находиться в нескольких квантовых состояниях, что и обеспечивает экспоненциальный прирост вычислительной мощности. Однако это состояние, называемое когерентностью, крайне чувствительно к внешним воздействиям: малейшие колебания электромагнитного поля, температурные флуктуации или даже атомарные неровности на поверхности материала могут привести к его разрушению.
Одним из главных источников шума и декогеренции являются поверхностные дефекты в сверхпроводнике. Эти дефекты нарушают поведение так называемых куперовских пар — связанных электронов, которые движутся без сопротивления и обеспечивают сверхпроводимость . Даже минимальные отклонения от атомарной регулярности формируют ловушки, в которых распадаются эти пары, разрушая квантовое состояние кубитов и делая невозможным надёжное масштабирование вычислительных устройств.
Решение, предложенное Вэем, заключается в использовании эпитаксиального осаждения для формирования ультратонкой плёнки золота на поверхности ниобия. Эпитаксиальный процесс обеспечивает образование строго упорядоченной кристаллической решётки, точно повторяющей структуру подложки, что исключает возникновение новых дефектов на границе раздела материалов. Благодаря своей химической инертности и устойчивости к окислению, золото формирует стабильный барьер, защищающий нижележащий сверхпроводник от контакта с окружающей средой.
Ключевой задачей было подобрать оптимальную толщину покрытия: если слой окажется слишком толстым, это нарушит сверхпроводимость; если слишком тонким — не устранит существующие дефекты. Как показали эксперименты, толщина около десяти атомных слоёв обеспечивает идеальный баланс между сохранением квантовых свойств и подавлением поверхностных искажений.
Кроме улучшения когерентности кубитов, технология оказывает положительное влияние на всю микроволновую архитектуру квантовых схем. Уменьшение потерь в сверхпроводящих резонаторах и более чистые сигнальные тракты повышают точность операций и позволяют строить более сложные, устойчивые схемы. Особенно важно то, что предложенная методика совместима с текущими промышленными технологиями производства чипов, что даёт ей хорошие шансы на масштабное внедрение в квантовой индустрии.
Новшество уже вызвало интерес в научных и инженерных кругах. К сотрудничеству с группой Вэя подключились исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), Национального института стандартов и технологий США (NIST), а также представители компании SEEQC, занимающейся разработкой квантовых процессоров . Совместные проекты касаются как оптимизации сверхпроводящих материалов , так и создания квантовых диодов нового поколения.
В настоящее время команда из Калифорнии тестирует эффективность золотого покрытия на других сверхпроводящих материалах, в том числе тех, которые используются в сенсорах, основанных на квантовых эффектах. Параллельно специалисты из офиса трансфера технологий университета подали патентную заявку и помогают Вэю подготовить запуск стартапа для коммерциализации технологии.
По словам самого Вэя, всё только начинается. Его метод, использующий предельно точную работу с атомной структурой поверхности, может не только продвинуть разработку надёжных квантовых систем , но и стать основой нового подхода к производству стабильных, масштабируемых компонентов для квантовых вычислений и чувствительных измерительных устройств будущего.
Проблема, с которой сталкиваются разработчики квантовых процессоров, заключается в нестабильности кубитов — квантовых аналогов классических битов. В отличие от бинарных 0 и 1, кубит способен одновременно находиться в нескольких квантовых состояниях, что и обеспечивает экспоненциальный прирост вычислительной мощности. Однако это состояние, называемое когерентностью, крайне чувствительно к внешним воздействиям: малейшие колебания электромагнитного поля, температурные флуктуации или даже атомарные неровности на поверхности материала могут привести к его разрушению.
Одним из главных источников шума и декогеренции являются поверхностные дефекты в сверхпроводнике. Эти дефекты нарушают поведение так называемых куперовских пар — связанных электронов, которые движутся без сопротивления и обеспечивают сверхпроводимость . Даже минимальные отклонения от атомарной регулярности формируют ловушки, в которых распадаются эти пары, разрушая квантовое состояние кубитов и делая невозможным надёжное масштабирование вычислительных устройств.
Решение, предложенное Вэем, заключается в использовании эпитаксиального осаждения для формирования ультратонкой плёнки золота на поверхности ниобия. Эпитаксиальный процесс обеспечивает образование строго упорядоченной кристаллической решётки, точно повторяющей структуру подложки, что исключает возникновение новых дефектов на границе раздела материалов. Благодаря своей химической инертности и устойчивости к окислению, золото формирует стабильный барьер, защищающий нижележащий сверхпроводник от контакта с окружающей средой.
Ключевой задачей было подобрать оптимальную толщину покрытия: если слой окажется слишком толстым, это нарушит сверхпроводимость; если слишком тонким — не устранит существующие дефекты. Как показали эксперименты, толщина около десяти атомных слоёв обеспечивает идеальный баланс между сохранением квантовых свойств и подавлением поверхностных искажений.
Кроме улучшения когерентности кубитов, технология оказывает положительное влияние на всю микроволновую архитектуру квантовых схем. Уменьшение потерь в сверхпроводящих резонаторах и более чистые сигнальные тракты повышают точность операций и позволяют строить более сложные, устойчивые схемы. Особенно важно то, что предложенная методика совместима с текущими промышленными технологиями производства чипов, что даёт ей хорошие шансы на масштабное внедрение в квантовой индустрии.
Новшество уже вызвало интерес в научных и инженерных кругах. К сотрудничеству с группой Вэя подключились исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), Национального института стандартов и технологий США (NIST), а также представители компании SEEQC, занимающейся разработкой квантовых процессоров . Совместные проекты касаются как оптимизации сверхпроводящих материалов , так и создания квантовых диодов нового поколения.
В настоящее время команда из Калифорнии тестирует эффективность золотого покрытия на других сверхпроводящих материалах, в том числе тех, которые используются в сенсорах, основанных на квантовых эффектах. Параллельно специалисты из офиса трансфера технологий университета подали патентную заявку и помогают Вэю подготовить запуск стартапа для коммерциализации технологии.
По словам самого Вэя, всё только начинается. Его метод, использующий предельно точную работу с атомной структурой поверхности, может не только продвинуть разработку надёжных квантовых систем , но и стать основой нового подхода к производству стабильных, масштабируемых компонентов для квантовых вычислений и чувствительных измерительных устройств будущего.