Потоковый кубит

В квантовых вычислениях , а точнее в сверхпроводящих квантовых вычислениях , потоковые кубиты (также известные как кубиты постоянного тока ) представляют собой петли сверхпроводящего металла микрометрового размера, которые прерываются рядом джозефсоновских переходов . Эти устройства функционируют как квантовые биты . Потоковый кубит был впервые предложен Терри П. Орландо и др. в Массачусетском технологическом институте в 1999 году и вскоре после этого изготовлен. Во время изготовления параметры джозефсоновского перехода подбираются таким образом, чтобы постоянный ток протекал непрерывно при приложении внешнего магнитного потока. Только целое число квантов потока может проникнуть через сверхпроводящее кольцо, что приводит к возникновению мезоскопических сверхтоков по часовой стрелке или против часовой стрелки (обычно 300 нА). ) в контуре для компенсации (экранирования или усиления) нецелочисленного внешнего смещения потока. Когда приложенный поток через область петли близок к половине целого числа квантов потока, два собственных состояния петли с наименьшей энергией будут квантовой суперпозицией токов по часовой стрелке и против часовой стрелки. Два собственных состояния с наименьшей энергией различаются только относительной квантовой фазой между составляющими состояниями направления тока. Собственные состояния с более высокой энергией соответствуют гораздо большим ( макроскопическим ) постоянным токам, которые индуцируют дополнительный квант потока в петле кубита и, таким образом, хорошо отделены энергетически от двух нижних собственных состояний. Это разделение, известное как критерий «нелинейности кубита», позволяет выполнять операции только с двумя наименьшими собственными состояниями, эффективно создавая двухуровневую систему . Обычно два нижних собственных состояния служат вычислительной основой для логического кубита .

СЭМ- изображение четырехпереходного потокового кубита, изготовленного в Лондонском университете Ройал Холлоуэй.

Вычислительные операции выполняются путем импульсирования кубита микроволновым излучением, энергия которого сравнима с энергией зазора между энергиями двух базисных состояний, аналогично RF-SQUID . Правильно выбранная длительность и сила импульса может привести кубит в квантовую суперпозицию двух базисных состояний, в то время как последующие импульсы могут манипулировать взвешиванием вероятности того, что кубит будет измерен в любом из двух базисных состояний, выполняя таким образом вычислительную операцию.

Изготовление

Потоковые кубиты изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике . Устройства обычно изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах с использованием электронно-лучевой литографии и процессов испарения металлических тонких пленок. Для создания джозефсоновских переходов метод, известный как теневое испарение обычно используется ; это включает в себя испарение исходного металла поочередно под двумя углами через определенную литографией маску в электронно-лучевом резисте. В результате образуются два перекрывающихся слоя сверхпроводящего металла, между которыми тонкий слой изолятора (обычно оксида алюминия ). осаждается

Группа доктора Щербаковой сообщила об использовании ниобия в качестве контактов для своих кубитов потока. В качестве контакта часто используется ниобий, который наносится методом напыления и оптической литографии для формирования рисунка на контактах. Затем можно использовать луч аргона для уменьшения оксидного слоя, образующегося поверх контактов. В процессе травления образец необходимо охлаждать, чтобы ниобиевые контакты не расплавились. На этом этапе слои алюминия можно наносить поверх чистой ниобиевой поверхности. Затем алюминий наносится в два этапа под разными углами на ниобиевые контакты. Между двумя слоями алюминия образуется оксидный слой, образующий джозефсоновский переход Al/AlO _x /Al. В стандартных кубитах потока вокруг петли будут расположены 3 или 4 джозефсоновских перехода.

Резонаторы могут быть изготовлены для измерения показаний потока кубита с помощью аналогичных методов. Резонатор может быть изготовлен методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления CF ₄ тонких пленок ниобия или аналогичного металла. Затем резонатор можно было бы соединить с кубитом потока, изготовив кубит потока на конце резонатора.

Параметры потока кубита

Потоковый кубит отличается от других известных типов сверхпроводящих кубитов, таких как зарядовый кубит или фазовый кубит, энергией связи и энергией заряда его переходов. В режиме зарядового кубита энергия заряда переходов доминирует над энергией связи. В потоковом кубите ситуация обратная и энергия связи доминирует. Обычно для потокового кубита энергия связи в 10–100 раз превышает энергию заряда, что позволяет куперовским парам непрерывно течь по петле, а не дискретно туннелировать через соединения, как зарядовый кубит.

Джозефсон-Джанкшенс

Чтобы сверхпроводящая схема могла функционировать как кубит, в ней должен быть нелинейный элемент. Если в схеме имеется гармонический генератор, например, в LC-цепи , уровни энергии вырождаются. Это запрещает формирование двухкубитного вычислительного пространства, поскольку любое микроволновое излучение, применяемое для манипулирования основным состоянием и первым возбужденным состоянием для выполнения операций с кубитами, также будет возбуждать состояния с более высокой энергией. Джозефсоновские переходы — единственный электронный элемент, который является нелинейным и недиссипативным при низких температурах. . Таковы требования к квантовым интегральным схемам, что делает джозефсоновский переход незаменимым при создании потоковых кубитов. Понимание физики джозефсоновского перехода улучшит понимание того, как работают потоковые кубиты.

По сути, джозефсоновские переходы состоят из двух частей тонкой сверхпроводящей пленки, разделенных слоем изолятора. В случае потоковых кубитов джозефсоновские переходы изготавливаются с помощью процесса, описанного выше. Волновые функции сверхпроводящих компонентов перекрываются, и эта конструкция обеспечивает туннелирование электронов, что создает разность фаз между волновыми функциями по обе стороны изолирующего барьера. Эта разность фаз, эквивалентная $\phi =\phi _{2}-\phi _{1}$, где $\phi _{1},\phi _{2}$ соответствуют волновым функциям по обе стороны туннельного барьера. следующие соотношения Джозефсона Для этой разности фаз были установлены :

$I_{J}=I_{0}\sin \phi$

$V={\frac {\Phi _{0}}{2\pi }}{\frac {d\phi }{dt}}$

Здесь, $I_{J}$ ток Джозефсона и $\Phi _{0}$ – квант потока. Дифференцируя уравнение тока и используя замену, можно получить член индуктивности Джозефсона $L_{J}$:

$L_{J}={\frac {\Phi _{0}}{2\pi I_{0}\cos \phi }}$

Из этих уравнений видно, что член индуктивности Джозефсона нелинейен по отношению к косинусу в знаменателе; из-за этого расстояния между уровнями энергии больше не вырождаются, ограничивая динамику системы двумя состояниями кубита. Из-за нелинейности джозефсоновского перехода операции с использованием микроволн могут выполняться с двумя состояниями собственных значений с наименьшей энергией (два состояния кубита) без возбуждения состояний с более высокой энергией. Ранее это называлось критерием «нелинейности кубита». Таким образом, джозефсоновские переходы являются неотъемлемым элементом потоковых кубитов и сверхпроводящих цепей в целом.

Соединение

Связь между двумя или более кубитами необходима для реализации многокубитных вентилей . Двумя основными механизмами связи являются прямая индуктивная связь и связь через микроволновый резонатор. При прямой связи циркулирующие токи кубитов индуктивно влияют друг на друга — ток по часовой стрелке в одном кубите индуцирует ток против часовой стрелки в другом. В матриц Паули формализме появляется член σ _z σ _z в гамильтониане , необходимый для реализации управляемого вентиля НЕ . Прямая связь может быть дополнительно усилена кинетической индуктивностью , если петли кубита будут иметь общий край, так что токи будут течь через одну и ту же сверхпроводящую линию. Вставка джозефсоновского перехода в эту соединительную линию добавит член индуктивности Джозефсона и еще больше увеличит связь. Для реализации переключаемой связи в механизме прямой связи, необходимой для реализации вентиля конечной продолжительности, может использоваться промежуточный контур связи. Управляющий магнитный поток, подаваемый на контур связи, включает и выключает связь, как это реализовано, например, в машинах D-Wave Systems . Второй метод связи использует промежуточный резонатор микроволнового резонатора, обычно реализуемый в копланарной геометрии волновода . Путем настройки энергетического разделения кубитов так, чтобы оно соответствовало энергетическому разделению резонатора, фазы контурных токов синхронизируются и σ _x σ _x реализуется связь . Настройка кубитов в резонансе и выходе из него (например, путем изменения их магнитного потока смещения) контролирует продолжительность работы затвора.

Считывание

Как и все квантовые биты, потоковые кубиты требуют подсоединенного к ним достаточно чувствительного зонда для измерения его состояния после выполнения вычислений. Такие квантовые зонды должны оказывать как можно меньше обратного воздействия на кубит во время измерения. В идеале их следует отключить во время вычислений, а затем включить на короткое время во время считывания. Датчики считывания потока кубитов работают путем взаимодействия с одной из макроскопических переменных кубита, таких как циркулирующий ток, поток внутри контура или макроскопическая фаза сверхпроводника. Это взаимодействие затем изменяет некоторую переменную считывающего датчика, которую можно измерить с помощью обычной малошумящей электроники. Датчик считывания обычно представляет собой технологический аспект, который разделяет исследования различных университетских групп, работающих над потоковыми кубитами.

Проф. Группа Муиджа в Делфте , Нидерланды. вместе с коллегами разработали технологию потоковых кубитов и были первыми, кто задумал, предложил и внедрил потоковые кубиты в том виде, в каком они известны сегодня. Схема считывания Делфта основана на петле СКВИДа , индуктивно связанной с кубитом, состояние кубита влияет на критический ток СКВИДа. Критический ток затем может быть считан с использованием линейно изменяющихся токов измерения через СКВИД. Недавно группа использовала плазменную частоту СКВИДа в качестве считываемой переменной.

Группа доктора Ильичева в IPHT Йене , Германия. используют методы измерения импеданса, основанные на влиянии потока кубита на резонансные свойства высококачественного контура резервуара, который, как и группа Делфта, также индуктивно связан с кубитом. В этой схеме магнитная восприимчивость кубита, которая определяется его состоянием, изменяет фазовый угол между током и напряжением, когда небольшой сигнал переменного тока подается в цепь резервуара.

Группа профессора Петрашова в Royal Holloway используют зонд -интерферометр Андреева для считывания потоков кубитов. При этом считывании используется фазовое влияние сверхпроводника на свойства проводимости обычного металла. Участок нормального металла соединяется с любого конца с любой стороной кубита с помощью сверхпроводящих выводов, фаза на кубите, которая определяется его состоянием, переводится в нормальный металл, сопротивление которого затем считывается с помощью измерения низкой помехоустойчивости.

Группа доктора Джергера использует резонаторы, связанные с кубитом потока. Каждый резонатор предназначен только для одного кубита, и все резонаторы можно измерить с помощью одной линии передачи. Состояние кубита потока изменяет резонансную частоту резонатора из-за дисперсионного сдвига, который улавливается резонатором в результате связи с кубитом потока. Затем резонансная частота измеряется по линии передачи для каждого резонатора в цепи. Состояние потока кубита затем определяется по измеренному сдвигу резонансной частоты.

Ссылки

• Деворе, Мишель Х.; Мартинис, Джон М. (2005). «Реализация кубитов с помощью сверхпроводящих интегральных схем». Экспериментальные аспекты квантовых вычислений : 163–203. дои : 10.1007/0-387-27732-3_12 . ISBN  978-0-387-23045-0 .