Дослідники з Прінстонського університету описали новий спосіб виготовлення надпровідних кубітів, який дозволяє зберігати квантову інформацію втричі довше, ніж у попередніх лабораторних системах. Результати, опубліковані 5 листопада у журналі Nature, показують, що кубіти на базі танталу, вирощеного на високорезистивному кремнії, можуть зберігати когерентність до 1,68 мілісекунди. За оцінками авторів, це приблизно втричі більше, ніж найкращі демонстрації в лабораторних умовах, і до п’ятнадцяти разів довше за показники надпровідних кубітів, які нині застосовують у комерційних QPU компаній на кшталт Google та IBM.
Як це зробили
Група під керівництвом декана інженерного факультету Прінстона Ендрю Гаука (Andrew Houck) використала тантал – перехідний метал, який зазвичай зустрічається в рудах, зокрема в танталіні – для формування тонкої металевої плівки атом за атомом на поверхні кремнієвої підкладки. У попередніх експериментах подібні пристрої будували на танталевій основі, але з використанням сапфірової підкладки; вони демонстрували високі результати, але час когерентності залишався менше однієї мілісекунди. Заміна сапфіру на спеціально підготовлений високорезистивний кремній, за заявою авторів, дозволила досягти рекордних 1,68 мс на системах розміром до 48 кубітів.
Чому тантал
Тантал привертає увагу фізиків не випадково. Коли надпровідний матеріал охолоджують до температури, близької до абсолютного нуля, електричний опір практично зникає, що дає змогу реалізовувати швидкі квантові операції. Проте навіть при відсутності опору маленькі дефекти в структурі матеріалу або домішки можуть руйнувати квантову хвильову функцію кубіта, спричиняючи втрату інформації. Тантал стійкий до корозії та складних хімічних реакцій – він не вступає в реакцію з кислотами у звичайних умовах – і його легше очистити від забруднень, які породжують нерівності й нестабільні стани на поверхні. Ці властивості зменшують кількість «слабких місць» у пристрої й підвищують час збереження когерентності.
Коротка довідка про тантал
Тантал – важкий перехідний метал з високою температурою плавлення, який широко використовується в електроніці (насамперед у виробництві конденсаторів), у медичній техніці та в авіації. Головні джерела сировини розташовані в Африці (серед них Демократична Республіка Конго, Руанда, Мозамбік), а також у Бразилії й Австралії. Відносна рідкість металу та географічна концентрація видобутку підкреслюють виробничі й етичні ризики при масштабуванні технологій на його основі.
Когерентність і втрати інформації
Когерентність у квантовому контексті описує час, протягом якого кубіт утримує свою фазову й амплітудну інформацію – тобто «свідомість» про свою суперпозицію. Коли відбувається декогеренція, квантовий стан руйнується й інформація втрачається. Причинами можуть бути атомні дефекти в металі, окисні шари й нечіткі межі між металом і підкладкою, диелектричні втрати в ізоляторах, теплові флуктуації або навіть іонізуюче випромінювання. Тому одночасне вдосконалення матеріалу кубіта та підкладки – як це зробили в Прінстоні – має вирішальне значення для довговічності квантових станів.
Порівняння з промисловими підходами
Проєктована конструкція кубітів схожа на ту, що застосовують у надпровідних процесорах від Google та IBM. За словами Гаука, якщо вмонтувати компоненти, розроблені в Прінстоні, в найкращу на сьогодні процесорну архітектуру Google під назвою Willow, продуктивність останньої могла б зрости в рази – за його словами, «працювати в 1 000 разів краще». Це смілива оцінка, яка підкреслює потенціал технології, але також вимагає практичної перевірки в складних виготовлювальних і системних умовах.
Проблеми масштабування і доступність матеріалів
Незважаючи на значне підвищення часу когерентності, перед технологією залишаються серйозні завдання. Перше – промислове масштабування: нові кубіти треба протестувати на великовагових пластинах (wafer-scale) і виготовляти з високою вихідністю, щоб інтегрувати у сучасні комерційні квантові процесори. Друге – питання сировини. Тантал є відносно рідкісним металом, і видобуток концентрується в окремих регіонах Африки та інших точках планети; це створює як логістичні, так і етичні обмеження, що можуть гальмувати масове впровадження технології. Крім того, необхідні подальші дослідження на предмет довготривалої стабільності плівок, їхньої сумісності з масовими литографічними процесами й впливу виробничих відхилень на параметри кубітів.
Про Прінстон і наукову групу
Прінстонський університет – один із провідних науково-дослідних центрів США, відомий сильними школами в фізиці та інженерії. Ендрю Гаук, який виступає співавтором дослідження й очолює інженерний факультет, раніше брав участь у численних проєктах із надпровідних систем і квантової електроніки. Результати команди укладаються в ширший корпус досліджень, спрямованих на продовження часу життя кубітів та підвищення надійності квантових обчислень.
Наступні кроки
Вченим належить перевести підхід із лабораторних зразків на масштабніші пластини й підтвердити, що покращення когерентності зберігається при великій кількості кубітів і в умовах промислового виготовлення. Потрібні також дослідження сумісності з архітектурами помилкозахисту й стандартними кристалографічними методами. У паралельному порядку слід вирішувати постачальні питання: забезпечити етичне і стале джерело танталу або шукати альтернативні матеріали, які давали б подібні переваги без обмежень у постачанні.
