Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В квантовых вычислениях , точнее в сверхпроводящих квантовых вычислениях , кубиты потока (также известные как кубиты постоянного тока ) представляют собой петли из сверхпроводящего металла микрометрового размера, которые прерываются рядом джозефсоновских переходов . Эти устройства работают как квантовые биты . Потоковый кубит был впервые предложен Терри П. Орландо и др. в Массачусетском технологическом институте в 1999 году и вскоре после этого был изготовлен. [1] В процессе изготовления параметры джозефсоновского перехода рассчитываются таким образом, что постоянный ток будет непрерывно течь при приложении внешнего магнитного потока. Только целое число квантов потокапозволяют проникать в сверхпроводящее кольцо, что приводит к появлению мезоскопических сверхтоков по часовой стрелке или против часовой стрелки (обычно 300 нА [2] ) в контуре для компенсации (экранирования или усиления) нецелочисленного внешнего смещения потока. Когда приложенный поток через область петли близок к полуцелому числу квантов потока, два собственных состояния петли с наименьшей энергией будут квантовой суперпозицией токов по и против часовой стрелки. Два собственных состояния с наименьшей энергией отличаются только относительная квантовая фаза между составляющими состояниями направления тока. Собственные состояния с более высокой энергией соответствуют гораздо большим ( макроскопическим) постоянные токи, которые индуцируют дополнительный квант потока в кубитовой петле, таким образом, энергетически хорошо отделены от двух нижних собственных состояний. Это разделение, известное как критерий «нелинейности кубита», позволяет выполнять операции только с двумя самыми низкими собственными состояниями, эффективно создавая двухуровневую систему . Обычно два самых низких собственных состояния служат вычислительной базой для логического кубита .

СЭМ- изображение 4-контактного потокового кубита, изготовленного в Лондонском Королевском Холлоуэйском университете.

Вычислительные операции выполняются путем подачи на кубит импульсов микроволнового излучения, имеющего энергию, сравнимую с энергией промежутка между энергиями двух базисных состояний, аналогично RF-SQUID . Правильно выбранная длительность и сила импульса могут поместить кубит в квантовую суперпозицию двух базисных состояний, в то время как последующие импульсы могут управлять взвешиванием вероятности того, что кубит будет измеряться в любом из двух базовых состояний, тем самым выполняя вычислительную операцию.

Изготовление [ править ]

Потоковые кубиты изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются в микроэлектронике . Устройства обычно изготавливаются на кремниевых или сапфировых пластинах с использованием электронно-лучевой литографии и процессов испарения тонких металлических 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 ). [3]

Группа доктора Щербаковой сообщила об использовании ниобия в качестве контактов для своих потоковых кубитов. Ниобий часто используется в качестве контакта и наносится путем распыления и оптической литографии для нанесения рисунка на контакты. Затем можно использовать луч аргона для уменьшения оксидного слоя, который образуется поверх контактов. В процессе травления образец необходимо охладить, чтобы контакты ниобия не оплавились. На этом этапе алюминиевые слои могут быть нанесены поверх чистых поверхностей ниобия. Затем алюминий наносится в два этапа под чередующимися углами на ниобиевые контакты. Между двумя слоями алюминия образуется оксидный слой, чтобы создать джозефсоновский переход Al / AlO x / Al. [3] В стандартных потоковых кубитах 3 или 4 джозефсоновских перехода будут расположены вокруг контура.

Резонаторы могут быть изготовлены для измерения показаний кубита потока с помощью аналогичных методов. Резонатор может быть изготовлен методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления CF 4 тонких пленок ниобия или аналогичного металла. Затем резонатор может быть соединен с потоковым кубитом путем изготовления потокового кубита на конце резонатора. [4]

Параметры Flux Qubit [ править ]

Потоковый кубит отличается от других известных типов сверхпроводящих кубитов, таких как зарядовый кубит или фазовый кубит , энергией связи и энергией заряда его переходов. В режиме зарядового кубита энергия заряда переходов преобладает над энергией связи. В кубите Flux ситуация обратная, и энергия связи доминирует. Обычно для потокового кубита энергия связи в 10-100 раз больше, чем энергия заряда, что позволяет куперовским парам непрерывно обтекать контур, а не туннелировать дискретно через переходы, как зарядовый кубит.

Джозефсоновские узлы [ править ]

Чтобы сверхпроводящая схема функционировала как кубит, необходим нелинейный элемент. Если в цепи есть гармонический осциллятор, например, в LC-цепи , уровни энергии вырождены. Это запрещает формирование вычислительного пространства с двумя кубитами, потому что любое микроволновое излучение, которое применяется для управления основным состоянием и первым возбужденным состоянием для выполнения операций с кубитами, также будет возбуждать состояния с более высокой энергией. Джозефсоновские переходы - единственный электронный элемент, который является нелинейным, а также недиссипативным при низких температурах. Это требования к квантовым интегральным схемам, делающие переход Джозефсона существенным в конструкции потоковых кубитов. [5] Понимание физики перехода Джозефсона улучшит понимание того, как работают потоковые кубиты.

По сути, джозефсоновские переходы состоят из двух частей тонкой сверхпроводящей пленки, разделенных слоем изолятора. В случае прекращения потока джозефсоновские переходы изготавливаются с помощью процесса, описанного выше. Волновые функции сверхпроводящих компонентов перекрываются, и такая конструкция позволяет туннелировать электроны, что создает разность фаз между волновыми функциями по обе стороны от изолирующего барьера. [5] Эта разность фаз, которая эквивалентна , где соответствуют волновым функциям по обе стороны от туннельного барьера. Для этой разности фаз установлены следующие соотношения Джозефсона :


[6] и [6]


Здесь - ток Джозефсона, - квант потока. Дифференцируя текущее уравнение и используя замену, можно получить член индуктивности Джозефсона :


[6]


Из этих уравнений можно видеть, что член джозефсоновской индуктивности нелинейен по отношению к члену косинуса в знаменателе; из-за этого расстояния между уровнями энергии больше не вырождены, ограничивая динамику системы двумя состояниями кубита. Из-за нелинейности джозефсоновского перехода операции с использованием микроволн могут выполняться на двух состояниях собственных значений с самой низкой энергией (два состояния кубита) без возбуждения состояний с более высокой энергией. Ранее это называлось критерием «нелинейности кубита». Таким образом, джозефсоновские контакты являются неотъемлемым элементом потоковых кубитов и сверхпроводящих цепей в целом.

Связь [ править ]

Связь между двумя или более кубитами необходима для реализации многокубитовых вентилей . Двумя основными механизмами связи являются прямая индуктивная связь и связь через микроволновый резонатор. При прямом взаимодействии циркулирующие токи кубитов индуктивно влияют друг на друга - ток по часовой стрелке в одном кубите индуцирует ток против часовой стрелки в другом. В формализме матриц Паули в гамильтониане появляется член σ z σ z , необходимый для реализации управляемого логического элемента НЕ . [7] Прямая связь может быть дополнительно усилена кинетической индуктивностью., если кубитовые петли делятся на одну границу, так что токи будут проходить через одну и ту же сверхпроводящую линию. Вставка джозефсоновского перехода в эту соединительную линию добавит член джозефсоновской индуктивности и еще больше увеличит связь. Чтобы реализовать переключаемую связь в механизме прямой связи, как требуется для реализации затвора конечной длительности, может использоваться промежуточный контур связи. Управляющий магнитный поток, приложенный к контуру ответвителя, включает и выключает связь, как это реализовано, например, в машинах D-Wave Systems . Второй метод связи использует промежуточный СВЧ резонатор, обычно реализованный в компланарном волноводе.геометрия. Путем настройки энергетического разделения кубитов в соответствии с резонатором фазы токов контура синхронизируются, и реализуется связь σ x σ x . Настройка кубитов на резонанс и выход из него (например, путем изменения их магнитного потока смещения) контролирует продолжительность работы затвора.

Считывание [ править ]

Как и все квантовые биты, потоковые кубиты требуют подключенного к ним подходящего чувствительного зонда, чтобы измерить его состояние после выполнения вычислений. Такие квантовые зонды должны вызывать как можно меньшее обратное воздействие на кубит во время измерения. В идеале они должны быть разъединены во время вычислений, а затем включены на короткое время во время считывания. Считывающие датчики для потоковых кубитов работают, взаимодействуя с одной из макроскопических переменных кубита, такой как циркулирующий ток, поток внутри контура или макроскопическая фаза сверхпроводника. Это взаимодействие затем изменяет некоторые параметры считывающего датчика, которые можно измерить с помощью обычной малошумящей электроники. Считывающий зонд, как правило, является технологическим аспектом, который разделяет исследования различных университетских групп, работающих над потоковыми кубитами.

Группа профессора Муидж в Делфте в Нидерландах [2] вместе с сотрудниками была пионером в технологии потоковых кубитов и была первой, кто задумал, предложил и реализовал потоковые кубиты, как они известны сегодня. Схема считывания Делфта основана на петле СКВИДа, которая индуктивно связана с кубитом, состояние кубита влияет на критический ток СКВИДа. Затем критический ток может быть считан с помощью линейно нарастающих измерительных токов через СКВИД. Недавно группа использовала плазменную частоту СКВИДа в качестве считываемой переменной.

Группа доктора Ильичева в IPHT Jena в Германии [8] использует методы измерения импеданса, основанные на том, что поток кубита влияет на резонансные свойства высококачественного контура резервуара, который, как и группа Делфта, также индуктивно связан с кубитом. В этой схеме магнитная восприимчивость кубита, которая определяется его состоянием, изменяет фазовый угол между током и напряжением, когда небольшой сигнал переменного тока проходит в контур резервуара.

Группа профессора Петрашова в Ройал Холлоуэй [9] использует зонд интерферометра Андреева для считывания потоковых кубитов. [10] [11] Это считывание использует влияние фазы сверхпроводника на свойства проводимости нормального металла. Кусок нормального металла соединяется на обоих концах с любой стороной кубита с помощью сверхпроводящих проводов, фаза на кубите, которая определяется его состоянием, переводится в нормальный металл, сопротивление которого затем считывается с помощью измерения низкого шумового сопротивления.

Группа доктора Джергера использует резонаторы, связанные с потоковым кубитом. Каждый резонатор предназначен только для одного кубита, и все резонаторы можно измерить с помощью одной линии передачи. Состояние потокового кубита изменяет резонансную частоту резонатора из-за дисперсионного сдвига, который воспринимается резонатором из-за связи с потоковым кубитом. Затем резонансная частота измеряется линией передачи для каждого резонатора в цепи. Затем состояние потокового кубита определяется измеренным сдвигом резонансной частоты. [4]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Орландо, TP; Mooij, JE; Тиан, Линь; Van Der Wal, Caspar H .; Левитов Л.С.; Ллойд, Сет; Мазо, Дж. Дж. (1999). «Сверхпроводящий кубит постоянного тока». Physical Review B . 60 (22): 15398–15413. arXiv : cond-mat / 9908283 . Bibcode : 1999PhRvB..6015398O . DOI : 10.1103 / PhysRevB.60.15398 . S2CID  16093985 .
  2. ^ a b Делфтский университет - Веб-сайт Flux Qubit Архивировано 01 марта 2008 г. в Archive.today
  3. ^ а б Щербакова А.В. (13 января 2015 г.). «Изготовление и измерения гибридных Nb / Al джозефсоновских переходов и потоковых кубитов с π-сдвигами» . Наука и технологии сверхпроводников . 28 (2): 025009. arXiv : 1405.0373 . Bibcode : 2015SuScT..28b5009S . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 28/2/025009 . S2CID 118577242 . 
  4. ^ a b Jerger, M .; Poletto, S .; Macha, P .; Hübner, U .; Лукашенко, А .; Иль \ textquotesingleichev, E .; Устинов, А.В. (ноябрь 2011). «Считывание массива кубитов по одной линии передачи» . EPL (Europhysics Letters) . 96 (4): 40012. arXiv : 1102.0404 . Bibcode : 2011EL ..... 9640012J . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 96/40012 . ISSN 0295-5075 . S2CID 59796640 .  
  5. ^ a b Деворет, М. и Валрафф, Андреас и Мартинис, Дж. М.. (2004). Сверхпроводящие кубиты: краткий обзор.
  6. ^ a b c Мартини, Джон и Осборн, Кевин. Сверхпроводящие кубиты и физика джозефсоновских юнктинов. Лез Уш, 2004 год.
  7. ^ Нильсен, Майкл А .; Чуанг, Исаак Л. (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-63235-8.
  8. ^ Йенского университета - Flux Кубит Сайт архивации 14 февраля 2007, в Wayback Machine
  9. ^ Лондонский Королевский университет Холлоуэя - Веб-сайт Flux Qubit
  10. ^ Чекли, C .; Ягалло, А .; Шайхайдаров, Р .; Николлс, JT; Петрашов, ВТ (06.04.2011). "Андреевские интерферометры в сильном радиочастотном поле". Журнал физики: конденсированное вещество . 23 (13): 135301. arXiv : 1003.2785 . Bibcode : 2011JPCM ... 23m5301C . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 23/13/135301 . ISSN 0953-8984 . PMID 21403240 . S2CID 24551976 .   
  11. ^ Петрашов, В.Т .; Chua, KG; Маршалл, КМ; Шайхайдаров Р.Ш .; Николлс, JT (2005-09-27). "Андреевский зонд постоянных токовых состояний в сверхпроводящих квантовых цепях". Письма с физическим обзором . 95 (14): 147001. arXiv : cond-mat / 0503061 . Bibcode : 2005PhRvL..95n7001P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.147001 . ISSN 0031-9007 . PMID 16241686 . S2CID 963004 .   
  • Devoret, Michel H .; Мартинис, Джон М. (2005). «Реализация кубитов на сверхпроводящих интегральных схемах». Экспериментальные аспекты квантовых вычислений : 163–203. DOI : 10.1007 / 0-387-27732-3_12 . ISBN 978-0-387-23045-0.