Введение
В квантовых вычислениях, кубит заряда (также известный как ящик Купер-пар) — это кубит, базисные состояния которого являются состояниями заряда, то есть состояниями, представляющими наличие или отсутствие избыточных куперовских пар на острове. В сверхпроводящих квантовых вычислениях кубит заряда формируется крошечным сверхпроводящим островом, соединенным посредством джозефсоновского перехода (или, практически, сверхпроводящего туннельного перехода) со сверхпроводящим резервуаром (см. рисунок). Состояние кубита определяется числом куперовских пар, протуннелировавших через переход. В отличие от состояния заряда атомного или молекулярного иона, состояния заряда такого "острова" включают макроскопическое число электронов проводимости острова. Квантовая суперпозиция состояний заряда достигается путем настройки напряжения на затворе U, которое контролирует химический потенциал острова. Кубит заряда обычно считывается путем электростатического соединения острова со сверхчувствительным электромером, таким как радиочастотный одноэлектронный транзистор. Типичное время когерентности T2 для кубита заряда составляет порядка 1–2 мкс. Недавние исследования показали, что время T2 приближается к 100 мкс при использовании типа кубита заряда, известного как трансмон, внутри трехмерной сверхпроводящей полости. Понимание пределов T2 является активной областью исследований в области сверхпроводящих квантовых вычислений.
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.
Изготовление
Заряженные кубиты изготавливаются с использованием техник, аналогичных применяемым в микроэлектронике. Устройства обычно создаются на кремниевых или сапфировых подложках с помощью литографии электронным пучком (в отличие от фазовых кубитов, для которых используется фотолитография) и процессов напыления тонких металлических пленок. Для формирования джозефсоновских переходов обычно применяется метод, известный как теневое напыление, который заключается в поочередном напылении исходного металла под двумя углами через маску, сформированную литографией в резисте для электронного луча. Это приводит к образованию двух перекрывающихся слоев сверхпроводящего металла, между которыми осаждается тонкий слой изолятора (обычно оксида алюминия).
Преимущества
На сегодняшний день наиболее успешными реализациями кубитов являются ионные ловушки и ЯМР, причем алгоритм Шора даже был реализован с использованием ЯМР. Однако сложно представить масштабирование этих двух методов до сотен, тысяч или миллионов кубитов, необходимых для создания квантового компьютера. Кубиты на основе твердого тела гораздо легче масштабируются, но они сталкиваются с собственной проблемой – декогеренцией. Сверхпроводники, однако, обладают преимуществом в более легком масштабировании и большей когерентностью по сравнению с обычными системами на основе твердого тела. Подтверждение квантовой когерентности заряда в ящике Куперовской пары было опубликовано в феврале 1997 года Винсентом Бушиа и коллегами. В 1999 году Накамура и коллеги впервые наблюдали когерентные колебания заряда кубита. Манипулирование квантовыми состояниями и полная реализация кубита заряда были продемонстрированы два года спустя. В 2007 году в Йельском университете Робертом Дж. Шоелкопфом, Мишелем Деворетом, Стивеном М. Гирвином и их коллегами было разработано более совершенное устройство, известное как Transmon, демонстрирующее увеличенное время когерентности благодаря сниженной чувствительности к зарядному шуму.