Аннотация:
Международная научно-исследовательская группа недавно предложила новый метод считывания квантовой информации, который, как ожидается, позволит получить состояние кубита без существенного нарушения квантовой системы, обеспечивая более эффективный технический путь для мониторинга и управления будущими квантовыми компьютерами. Исследования показывают, что тип квантового устройства под названием «кубиты Андреева» может раскрывать свое внутреннее состояние через генерируемый им текущий сигнал, тем самым уменьшая разрушение квантовой информации во время традиционных измерений.
В классических компьютерах биты могут принимать только два состояния: 0 или 1. Однако кубиты в квантовых вычислениях могут не только представлять 0 и 1, но также могут находиться в квантовом состоянии, образованном суперпозицией этих двух состояний. Именно эта характеристика позволяет ожидать, что квантовые компьютеры намного превзойдут традиционные компьютеры в конкретных задачах. Но в то же время квантовые состояния чрезвычайно хрупкие, и как вмешательство окружающей среды, так и сам акт измерения могут изменить их состояние и вызвать потерю информации.
Это исследование посвящено кубитам Андреева. Такие кубиты основаны на особых квантовых состояниях, образующихся между сверхпроводящими материалами. Система, разработанная исследовательской группой, состоит из чрезвычайно тонкой нанопроволоки арсенида индия. Два конца нанопроволоки соединены со сверхпроводящими материалами, а в середине образуется квантовая точка, ограничивающая пространство активности электронов. В этой микроскопической среде формируется состояние андреевского кубита.
Хосе Карлос Эгес, один из руководителей исследования и профессор Института физики Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу в Бразилии, рассказал, что в рамках традиционной квантовой механики прямое измерение кубитов часто приводит к их коллапсу в определенное состояние, тем самым уничтожая изначально сохраненную информацию. Поэтому во многих современных решениях для квантовых вычислений вспомогательные кубиты будут использоваться в качестве «посредников» для первой передачи информации во вспомогательные кубиты, а затем измерения последних, чтобы минимизировать воздействие на целевые кубиты.
Однако этот метод требует дополнительного оборудования и рабочих этапов, что увеличивает сложность системы. Исследовательская группа предложила другую идею, которая заключается в том, чтобы напрямую использовать сигнал, генерируемый самим целевым кубитом, для считывания информации, не прибегая к помощи вспомогательных кубитов.
Согласно теоретическим расчетам, кубит помещен в замкнутую сверхпроводящую цепь, и в цепи без сопротивления течет сверхток. Исследования показали, что когда кубиты находятся в состоянии суперпозиции, квантовая интерференция между различными состояниями заставляет некоторые сверхтоки создавать периодические колебания. Этот колебательный сигнал является для исследователей ключом к получению квантовой информации.
Обычно этот тип явления колебаний требует приложения напряжения, что является знаменитым эффектом Джозефсона переменного тока. Система, предложенная в этом исследовании, не требует внешнего напряжения, а колебания полностью возникают в результате процесса эволюции собственного состояния кубита. Это означает, что кубит будет активно «выдавать» информацию о своем состоянии.
Чтобы обнаружить этот слабый сигнал, исследователи разработали и использовали СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр) в качестве считывающего устройства. СКВИД способен обнаруживать чрезвычайно слабые изменения магнитного поля. Исследовательская группа ярко заявила, что кубит и СКВИД можно рассматривать как два компаса, близких друг к другу. Ток в кубите создаст магнитное поле, и СКВИД почувствует это изменение магнитного поля. Поскольку связь между ними чрезвычайно слаба, возмущение, создаваемое измерительным устройством на самом кубите, также очень ограничено.
Дальнейший анализ показал, что вся ключевая информация о состоянии кубита была закодирована в сверхтоке. Сверхток содержит как постоянную, так и колебательную часть. Постоянное значение тока и амплитуда колебаний могут выявить соотношение 0 и 1 в квантовом состоянии, а время начала колебаний отражает фазовое соотношение между двумя состояниями. Записав, как ток меняется с течением времени, исследователи смогли восстановить исходное квантовое состояние кубита.
Этот подход также имеет важное преимущество: он позволяет исследователям непрерывно отслеживать эволюцию кубитов без необходимости их повторной инициализации после каждого измерения, что упрощает наблюдение за динамическим поведением квантовых систем.
Исследовательская группа добавила в симуляционный эксперимент реалистичные факторы, такие как шум измерения и обратная связь катушки обнаружения. Результаты показывают, что точность измерений может достигать 99,52%, 99,81% и 99,85% соответственно, в зависимости от количества измерений. Эти индикаторы соответствуют требованиям точности, обычно используемым в современной технологии квантовой коррекции ошибок.
Исследователи отметили, что это решение фундаментально не решает основную проблему неизбежного воздействия квантовых измерений, но может снизить это влияние до очень низкого уровня, одновременно избавляясь от зависимости от вспомогательных кубитов в традиционных решениях неразрушающего измерения.
Это исследование было проведено совместно исследователями из Университета Сан-Паулу в Бразилии и Пекинского технологического института в Китае. Соответствующие результаты опубликованы в «Physical Review B». Исследовательская группа заявила, что технология SQUID, используемая для обнаружения сверхслабых токов и магнитных полей, уже достаточно развита, поэтому нет необходимости ждать новых материалов или прорывов в производственных технологиях для реализации этого решения. Все параметры, использованные в исследовании, взяты из реальных систем. Единственное, что на самом деле не было построено, — это конкретная конструкция устройства и экспериментальная компоновка, предложенная исследовательской группой.
Исследователи полагают, что, как только соответствующая экспериментальная проверка будет завершена, этот новый метод считывания квантовой информации через сверхток самого кубита, как ожидается, станет важной технической основой для будущих квантовых компьютеров для достижения высокоточного мониторинга с низким уровнем помех.
Комментарии