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.

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.