Создан относительно сложный твердотельный квантовый процессор

Сотрудники кафедры физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре изготовили сравнительно сложный твердотельный квантовый процессор.

Основой устройства стала прошлогодняя разработка учёных, в конструкции которой можно было выделить пять элементов: два сверхпроводящих кубита и три резонатора. Такая сборка справлялась с квантовым преобразованием Фурье и могла действовать как квантовый логический элемент, аналогичный вентилю Тоффоли. Канонический вентиль Тоффоли имеет трёхбитовые вход и выход и схемой работы напоминает элемент «контролируемое отрицание», инвертирующий второй бит на выходе, если на первый вход подана единица; единственное отличие состоит в том, что элемент Тоффоли обращает значение последнего (третьего) бита на выходе, только если единица подаётся на два первых входа.

Микрофотография процессора и его структура (иллюстрация из журнала Nature Physics).

В новом варианте процессора число кубитов было увеличено до четырёх, а сверхпроводящих резонаторов на копланарных волноводах — до пяти. Каждый кубит (на рисунке выше — Q₁–Q₄) связывался ёмкостной связью с одним из резонаторов М₁–М₄, которые могли служить элементами квантовой памяти, и центральным резонатором В. Кроме того, к элементам Q₁–Q₄ были подведены схемы управления и СКВИД-устройства, используемые для считывания.

Весь процессор размещался на одной сапфировой подложке, а кубиты были построены традиционным способом с применением контактов Джозефсона — соединений сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика, — вида Al / AlO_х / Al. Во время экспериментов его охлаждали до температуры в ~25 мК.

Наблюдая за работой устройства, авторы убедились в том, что оно может создавать двух- и трёхкубитовые запутанные состояния (состояния Белла и W-состояния). В отдельной серии опытов процессор успешно провёл вычисления по алгоритму Шора, который даёт возможность разложить заданное число на простые множители. Американцы взяли элементарный пример — число 15 — и получали правильный ответ в 48 процентах случаев.

Поскольку одним из основных достоинств конструкции процессора на сверхпроводящих кубитах считается лёгкость её масштабирования, долго ждать следующей версии устройства не придётся. «При переходе к большим числам общий принцип их разложения на простые множители остаётся прежним, — замечает участник исследования Эндрю Клелэнд (Andrew Cleland). — Нам просто нужно будет увеличить количество элементов, включённых в схему процессора».

Полный вариант отчёта об экспериментах опубликован в журнале Nature Physics.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и arXiv.