Квантовые компьютеры имеют возможность решать задачи, которые недоступны обычным машинам: от моделирования новых материалов до оптимизации сложных систем.
Кубиты, лежащие в основе квантовых компьютеров, имеют возможность находиться одновременно в нескольких состояниях. Однако для того, чтобы извлечь из такого процессора полезный ответ, необходимо быстро и надежно измерять состояние каждого кубита. Эта процедура является одним из основных «узких мест» в квантовых технологиях.
На сегодняшний день одной из ведущих технологий в этой области являются сверхпроводниковые квантовые компьютеры, функционирующие при сверхнизких температурах. В них состояние кубитов считывают с помощью микроволновых резонаторов, к которым кубиты подключены через конденсатор. Такая схема позволяет производить измерения кубитов, но имеет значительный недостаток: из-за связи через конденсатор кубит и резонатор частично «смешиваются». Это увеличивает вероятность того, что в процессе измерения кубит утратит информацию или самопроизвольно изменит состояние.
Группа ученых под руководством Паскуале Скарлино из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Александра Блэ из Университета Шербрука предложила более простую и эффективную схему считывания, которая снижает эти риски. «Это значимый результат, демонстрирующий новый, более быстрый и эффективный способ измерения сверхпроводниковых кубитов-трансмонов», — отмечает Скарлино.
Вместо того чтобы соединять кубит с резонатором исключительно через конденсатор, ученые добавили параллельно Джозефсоновский переход — тонкий слой обычного (несверхпроводящего) материала между двумя слоями сверхпроводника. Благодаря квантовому туннелированию такой переход функционирует как нелинейный электрический элемент, и эта технология уже давно используется в квантовой электронике.
В новом устройстве Джозефсоновский переход формирует иной тип взаимодействия кубита с резонатором и встроенно защищает от одного из основных механизмов потери информации в процессе измерения. Это позволяет применять более мощный зондирующий сигнал и лучше различать отклики состояний логического нуля и единицы.
В экспериментах физикам удалось корректно определить состояние кубита в 99,4% случаев, затрачивая на одно измерение всего 68 наносекунд. Так называемая «ненарушающая» (квантовая недемонстрационная) точность составила 98,4%: практически всегда после измерения кубит оставался в том же состоянии, в котором находился до него. Эти результаты хорошо согласуются с теорией, совместно разработанной учеными.