Зарядить кубит

Принципиальная схема зарядного кубита. Островок (пунктирная линия) образован сверхпроводящим электродом между затворным конденсатором и емкостью перехода.

В квантовых вычислениях , А заряд кубит (также известный как Купер пары коробки ) представляет собой кубит основа которых государства являются заряд состояние (например , состояние , которые представляют собой наличие или отсутствие избыточных куперовских пар на острове). ^{[1] [2] [3]} В сверхпроводящих квантовых вычислениях зарядовый кубит ^[4] образован крошечным сверхпроводящим островком, соединенным джозефсоновским переходом (или практически сверхпроводящим туннельным переходом) в сверхпроводящий резервуар (см. рисунок). Состояние кубита определяется количеством куперовских пар, которые прошли туннель через соединение. В отличие от зарядового состояния атомарного или молекулярного иона, зарядовые состояния такого «островка» включают макроскопическое число электронов проводимости острова. Квантовая суперпозиция зарядовых состояний может быть достигнута путем настройки напряжения затвора U, которое управляет химическим потенциалом острова. Зарядный кубит обычно считывается путем электростатического соединения острова с чрезвычайно чувствительным электрометром, таким как радиочастотный одноэлектронный транзистор .

Типичное время когерентности T ₂ для зарядового кубита составляет порядка 1–2 мкс. ^[5] Недавняя работа показала, что T ₂ раза приближается к 100 мкс с использованием зарядового кубита, известного как трансмон внутри трехмерного сверхпроводящего резонатора. ^{[6] [7]} Понимание ограничений T ₂ - активная область исследований в области сверхпроводящих квантовых вычислений .

Изготовление [ править ]

Зарядные кубиты изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике . Устройства обычно изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах с использованием электронно-лучевой литографии (в отличие от фазового кубита , в котором используется фотолитография ) и процессов испарения металлических тонких пленок. Для создания джозефсоновских переходов обычно используется техника, известная как теневое испарение ; это включает испарение исходного металла поочередно под двумя углами через заданную литографией маску в электронно-лучевом резисте. Это приводит к двум перекрывающимся слоям сверхпроводящего металла, между которыми осаждается тонкий слой изолятора (обычно оксида алюминия ).

Гамильтониан [ править ]

Если джозефсоновский переход имеет емкость перехода и затворный конденсатор , то зарядная (кулоновская) энергия одной куперовской пары равна:${\ displaystyle C _ {\ rm {J}}}$${\ displaystyle C _ {\ rm {g}}}$

${\ displaystyle E _ {\ rm {C}} = (2e) ^ {2} / 2 (C _ {\ rm {g}} + C _ {\ rm {J}}).}$

Если обозначает количество избыточных куперовских пар на острове (т.е. его чистый заряд равен ), то гамильтониан равен: ^[4]${\ displaystyle n}$${\ displaystyle -2ne}$

${\ displaystyle H = \ sum _ {n} {\ big [} E _ {\ rm {C}} (n-n _ {\ rm {g}}) ^ {2} | n \ rangle \ langle n | - { \ frac {1} {2}} E _ {\ rm {J}} (| n \ rangle \ langle n + 1 | + | n + 1 \ rangle \ langle n |) {\ big]},}$

где - управляющий параметр, известный как эффективный заряд смещения ( напряжение затвора), и энергия Джозефсона туннельного перехода.${\ Displaystyle п _ {\ rm {g}} = C _ {\ rm {g}} V _ {\ rm {g}} / (2e)}$${\ displaystyle V _ {\ rm {g}}}$${\ displaystyle E _ {\ rm {J}}}$

При низкой температуре и низком напряжении на затворе, можно ограничить анализ только самых низких и состояний, и , следовательно , получить квантовый двухуровневой системы ( так называемый кубит ).${\ displaystyle n = 0}$${\ Displaystyle п = 1}$

Обратите внимание, что в некоторых недавних статьях ^{[8] [9]} приняты другие обозначения и энергия заряда определяется как энергия одного электрона:

${\ displaystyle E _ {\ rm {C}} = e ^ {2} / 2 (C _ {\ rm {g}} + C _ {\ rm {J}}),}$

и тогда соответствующий гамильтониан:

${\displaystyle H=\sum _{n}{\big [}4E_{\rm {C}}(n-n_{\rm {g}})^{2}|n\rangle \langle n|-{\frac {1}{2}}E_{\rm {J}}(|n\rangle \langle n+1|+|n+1\rangle \langle n|){\big ]}.}$

Преимущества [ править ]

На сегодняшний день наиболее успешными реализациями кубитов являются ионные ловушки и ЯМР , а алгоритм Шора даже реализован с использованием ЯМР. ^[10] Однако трудно представить, что эти два метода можно масштабировать до сотен, тысяч или миллионов кубитов, необходимых для создания квантового компьютера . Твердотельные представления кубитов гораздо легче масштабируются, но сами они имеют свою проблему: декогеренцию . Однако преимущество сверхпроводников состоит в том, что их легче масштабировать, и они более когерентны, чем обычные твердотельные системы. ^[10]

Экспериментальный прогресс [ править ]

Сверхпроводящие зарядовые кубиты быстро развиваются. Впервые они были предложены в 1997 г. Шнирманом ^[11], а к 2001 г. наблюдались когерентные колебания.

Ссылки [ править ]