Квантовые компьютеры, несмотря на огромный потенциал в решении сложнейших задач, сталкиваются с серьезной проблемой – декогеренцией. Это явление, при котором квантовая информация теряется из-за взаимодействия с окружающей средой, фактически делает квантовые вычисления ненадежными. Одной из основных причин декогеренции являются дефекты материалов, особенно так называемые двухуровневые системы (TLS). TLS – это микроскопические дефекты, которые могут переключаться между двумя энергетическими состояниями, нарушая стабильность кубитов, основных элементов квантовых компьютеров.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обратили внимание на эту проблему и предложили новаторский подход. Вместо того, чтобы просто пытаться изолировать кубиты от окружающей среды, они решили активно контролировать её. Их внимание привлекли фононы – квантованные колебания решетки материала. Они разработали метаматериал с фононной запрещенной зоной, который способен подавлять нежелательные взаимодействия фононов, особенно те, которые вызывают распад кубитов.
Фононная инженерия стала ключом к решению этой проблемы. Используя этот подход, ученые создали материал, который эффективно управляет потоками фононов, тем самым минимизируя потери энергии и увеличивая время жизни кубитов. В ходе экспериментов, проводимых на сверхпроводящих кубитах, исследователям удалось значительно увеличить время релаксации кубитов. Более того, они обнаружили, что поведение кубитов в этом новом материале становится немарковским, то есть, энергия не теряется необратимо, что открывает новые возможности для контроля квантовых систем.
«Мы заинтересованы в понимании и управлении микроскопическими процессами, приводящими к декогеренции в сверхпроводящих кубитах», – отметил Альп Сипахигил, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Nature Physics. Он подчеркнул, что твердотельное квантовое оборудование создается из несовершенных материалов, и необходимо учитывать, как кубиты взаимодействуют с дефектами материала и фононами.
«Когда сверхпроводящий кубит распадается, энергия часто теряется в окружающую среду в виде фононов в необратимом марковском процессе», – пояснил Сипахигил. «Мы подавили этот процесс излучения фононов, встроив сверхпроводящий кубит в фононный метаматериал, где излучение фононов запрещено. С помощью измерений на кубите мы определили увеличение времени жизни дефектов материала, называемых TLS, и переход к немарковской релаксации кубита».
Это открытие открывает новые горизонты в области квантовых вычислений. «Мы обнаружили, что управление фононной ванной сверхпроводника может изменить его динамику, – утверждает Альп Сипахигил. Развивая эту мысль, он продолжил: «Управление электромагнитным окружением кубита уже хорошо налажено и является обычной практикой. Наша работа показывает, что для дальнейшего улучшения производительности сверхпроводящих кубитов может потребоваться совместное проектирование фононного окружения».
Данное исследование, по словам Сипахигила, позволило «определить режим, в котором миниатюризация кубита и фононная инженерия могут резко повысить производительность кубита». Сейчас они разрабатывают компактные кубиты, которые используют совместное проектирование электромагнитной и фононной среды для достижения более длительного времени жизни.
Эти результаты указывают на то, что фононная инженерия может стать ключевым элементом в улучшении стабильности и производительности квантовых систем. В будущем, возможно, потребуется комплексный подход, сочетающий управление как электромагнитным, так и фононным окружением кубитов, чтобы раскрыть весь потенциал квантовых вычислений.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обратили внимание на эту проблему и предложили новаторский подход. Вместо того, чтобы просто пытаться изолировать кубиты от окружающей среды, они решили активно контролировать её. Их внимание привлекли фононы – квантованные колебания решетки материала. Они разработали метаматериал с фононной запрещенной зоной, который способен подавлять нежелательные взаимодействия фононов, особенно те, которые вызывают распад кубитов.
Фононная инженерия стала ключом к решению этой проблемы. Используя этот подход, ученые создали материал, который эффективно управляет потоками фононов, тем самым минимизируя потери энергии и увеличивая время жизни кубитов. В ходе экспериментов, проводимых на сверхпроводящих кубитах, исследователям удалось значительно увеличить время релаксации кубитов. Более того, они обнаружили, что поведение кубитов в этом новом материале становится немарковским, то есть, энергия не теряется необратимо, что открывает новые возможности для контроля квантовых систем.
«Мы заинтересованы в понимании и управлении микроскопическими процессами, приводящими к декогеренции в сверхпроводящих кубитах», – отметил Альп Сипахигил, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Nature Physics. Он подчеркнул, что твердотельное квантовое оборудование создается из несовершенных материалов, и необходимо учитывать, как кубиты взаимодействуют с дефектами материала и фононами.
«Когда сверхпроводящий кубит распадается, энергия часто теряется в окружающую среду в виде фононов в необратимом марковском процессе», – пояснил Сипахигил. «Мы подавили этот процесс излучения фононов, встроив сверхпроводящий кубит в фононный метаматериал, где излучение фононов запрещено. С помощью измерений на кубите мы определили увеличение времени жизни дефектов материала, называемых TLS, и переход к немарковской релаксации кубита».
Это открытие открывает новые горизонты в области квантовых вычислений. «Мы обнаружили, что управление фононной ванной сверхпроводника может изменить его динамику, – утверждает Альп Сипахигил. Развивая эту мысль, он продолжил: «Управление электромагнитным окружением кубита уже хорошо налажено и является обычной практикой. Наша работа показывает, что для дальнейшего улучшения производительности сверхпроводящих кубитов может потребоваться совместное проектирование фононного окружения».
Данное исследование, по словам Сипахигила, позволило «определить режим, в котором миниатюризация кубита и фононная инженерия могут резко повысить производительность кубита». Сейчас они разрабатывают компактные кубиты, которые используют совместное проектирование электромагнитной и фононной среды для достижения более длительного времени жизни.
Эти результаты указывают на то, что фононная инженерия может стать ключевым элементом в улучшении стабильности и производительности квантовых систем. В будущем, возможно, потребуется комплексный подход, сочетающий управление как электромагнитным, так и фононным окружением кубитов, чтобы раскрыть весь потенциал квантовых вычислений.
