Кванттық есептеудегі зарядтық кубиттер: Купер жұптары арқылы ақпаратты қалай сақтауға болады? Жозефсон торабы мен кванттық суперпозиция туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Супержетекшіл кубиттің іске асырылуы
Superconducting qubit implementation
Кванттық есептеуде зарядты кубит (сондай-ақ Купер жұптық қорап деп аталады) – негізгі күйлері зарядтық күйлер (яғни аралдағы артық Купер жұптарының болуы немесе болмауы) болатын кубит. Суперөткізгіш кванттық есептеулерде зарядты кубит Жозефсон түйінімен (немесе практикалық тұрғыдан, суперөткізгіш туннельдік түйінімен) суперөткізгіш резервуармен (суретті қараңыз) байланыстырылған кішкентай суперөткізгіш аралдан құралады. Кубиттің күйі түйісу арқылы түйіннен өткен Купер жұптарының санымен анықталады. Атомдық немесе молекулалық ионның зарядтық күйінен өзгеше, мұндай "аралдың" зарядтық күйіне аралдың өткізгіш электрондарының макроскопиялық саны кіреді. Зарядтық күйлердің кванттық суперпозициясына аралдың химиялық потенциалын басқаратын U қақпалық кернеуді реттеу арқылы қол жеткізіледі. Зарядты кубит әдетте аралды радиожиілікті бір электронды транзистор сияқты өте сезімтал электрометрмен электростатикалық байланыс арқылы оқылады. Зарядты кубит үшін T2 когеренттілік уақыты 1–2 мкс шамасында болады. Жақындағы зерттеулер үш өлшемді суперөткізгіш қуыс ішінде трансмон деп аталатын зарядты кубиттерді пайдалану арқылы T2 уақыты 100 мкс-қа жақындағанын көрсетті. T2 шектерін түсіну – суперөткізгіш кванттық есептеу саласындағы белсенді зерттеулердің бір саласы.
In quantum computing, a charge qubit (also known as Cooper pair box) is a qubit whose basis states are charge states (i. e. states which represent the presence or absence of excess Cooper pairs in the island). In superconducting quantum computing, a charge qubit is formed by a tiny superconducting island coupled by a Josephson junction (or practically, superconducting tunnel junction) to a superconducting reservoir (see figure). The state of the qubit is determined by the number of Cooper pairs that have tunneled across the junction. In contrast with the charge state of an atomic or molecular ion, the charge states of such an "island" involve a macroscopic number of conduction electrons of the island. The quantum superposition of charge states can be achieved by tuning the gate voltage U that controls the chemical potential of the island. The charge qubit is typically read out by electrostatically coupling the island to an extremely sensitive electrometer such as the radio frequency single electron transistor. Typical T2 coherence times for a charge qubit are on the order of 1–2 μs. Recent work has shown T2 times approaching 100 μs using a type of charge qubit known as a transmon inside a three dimensional superconducting cavity. Understanding the limits of T2 is an active area of research in the field of superconducting quantum computing.
Өндiру
Зарядталған кубиттер микроэлектроникада қолданылатын техникаларға ұқсас әдістермен жасалады. Бұл құрылғылар әдетте кремний немесе сапфир пластиналарында электронды сәулелі литография (фазалық кубиттен өзгеше, ол фотолитография қолданады) және металл жұқа пленкаларын буландыру процестері арқылы жасалады. Джозефсон түйіндерін жасау үшін көлеңкелі буландыру деп аталатын әдіс көбінесе қолданылады; бұл электронды сәуле кедергісіндегі литографиялық маска арқылы екі әртүрлі бұрыштан бастапқы металды кезекте буландыруды қамтиды. Нәтижесінде, суперөткізгіш металдың екі қабаттасқан қабаты түзіледі, олардың арасына жұқа изолятор қабаты (әдетте алюминий оксиді) жатқызылады.
Charge qubits are fabricated using techniques similar to those used for microelectronics. The devices are usually made on silicon or sapphire wafers using electron beam lithography (different from phase qubit, which uses photolithography) and metallic thin film evaporation processes. To create Josephson junctions, a technique known as shadow evaporation is normally used; this involves evaporating the source metal alternately at two angles through the lithography defined mask in the electron beam resist. This results in two overlapping layers of the superconducting metal, in between which a thin layer of insulator (normally aluminum oxide) is deposited.
Артықшылықтары
Бүгінгі күнге дейін ең көп табысқа жеткен кубиттер иондық тұзақтар мен ЯМР (NMR) болып табылады, тіпті Шор алгоритмі ЯМР арқылы іске асырылған. Дегенмен, бұл екі әдісті кванттық компьютер құру үшін қажетті жүздеген, мыңдаған немесе миллиондаған кубитке дейін кеңейту қиын көрінеді. Қатты күйдегі кубиттерді бейнелеу әлдеқайда оңай кеңейтіледі, бірақ олардың өзіндік мәселелері бар: декогеренттілік. Алайда, суперөткізгіштердің кеңейтуі оңайрақ, және олар қалыпты қатты күйдегі жүйелерге қарағанда жақсы когеренттілікке ие. Купер жұптық қорабындағы зарядтың кванттық когеренттілігінің дәлелі 1997 жылғы ақпанда Винсент Бушиат және авторлар тобы жариялады. 1999 жылы Накамура және авторлар тобы Qubit зарядының когерентті тербелістерін алғаш рет байқады. Кванттық күйлерді басқару және зарядталған кубиттің толық іске асырылуы 2 жылдан кейін тіркелді. 2007 жылы Йель университетінде Роберт Дж. Шоелкопф, Мишель Деворет, Стивен М. Гирвин және олардың әріптестері заряд шуына сезімталдығы төмендеуіне байланысты когеренттік уақытын ұзартатын, Трансмон деп аталатын жаңа құрылғы жасады.
To date, the realizations of qubits that have had the most success are ion traps and NMR, with Shor's algorithm even being implemented using NMR. However, it is hard to see these two methods being scaled to the hundreds, thousands, or millions of qubits necessary to create a quantum computer. Solid state representations of qubits are much more easily scalable, but they themselves have their own problem: decoherence. Superconductors, however, have the advantage of being more easily scaled, and they are more coherent than normal solid state systems. while the evidence of quantum coherence of the charge in a Cooper pair box was published in February 1997 by Vincent Bouchiat et al. In 1999, coherent oscillations in the charge Qubit were first observed by Nakamura et al. Manipulation of the quantum states and full realization of the charge qubit was observed 2 years later. In 2007, a more advanced device known as Transmon showing enhanced coherence times due to its reduced sensitivity to charge noise was developed at Yale University by Robert J. Schoelkopf, Michel Devoret, Steven M. Girvin and their colleagues .