Идея использовать макроскопическую квантовую когерентность сверхпроводников для конструирования квантовых вычислительных устройств не нова. В качестве логических состояний кубита можно, в частности, выбрать состояния с двумя различными направлениями сверхтока в сверхпроводящем контуре с джозефсоновскими контактами (так называемый «потоковый кубит», flux qubit).

Если поток F магнитного поля через контур равен половине кванта потока F₀, то оба состояния имеют одинаковую энергию, и кубит находится в симметричной суперпозиции логического нуля и логической единицы с равными весами, то есть суммарный ток в контуре равен нулю. Величина F=F₀/2 отвечает так называемой «оптимальной точке», поскольку при этом влияние шума потока на фазовую когерентность сводится к минимуму, и время декогеренции достигает t ~ 1 мкс. В литературе рассматривались различные варианты осуществления двухкубитных операций. Но большинство из них эффективны лишь вдали от «оптимальной точки» и поэтому характеризуются очень маленькими временами t, что препятствует масштабированию квантовых сверхпроводниковых устройств.

Схема организации взаимодействия между кубитами 1 и 2 посредством промежуточного кубита 3

Для организации когерентного взаимодействия двух потоковых кубитов ученые из Финляндии, Японии и США [A.O.Niskanen et al., Science 316, 723 (2007)] предложили размещать между соответствующими контурами (1 и 2) третий контур-кубит (см. рис.). Оказывается, что при F₁=F₀/2, F₂=F₀/2 и F₃≠F₀/2 воздействие на систему резонансного микроволнового поля (частота которого равна сумме или разности частот туннелирования между состояниями кубитов 1 и 2 с противоположными направлениями сверхтока) приводит к эффективному взаимодействию кубитов 1 и 2 за счет параметрической модуляции нелинейной индуктивности кубита 3. Энергия этого взаимодействия, пропорциональная произведению J₁₃J₂₃ энергий взаимодействия кубитов 1 и 2 с кубитом 3, значительно больше энергии J₁₂ прямого индуктивного взаимодействия кубитов 1 и 2 между собой, поэтому рабиевские частоты переходов между двухкубитными состояниями достаточно велики, и минимальное время двухкубитных операций меньше времени декогеренции. Например, переход |00>→|11> осуществляется за ≈ 0.1 мкс, тогда как времена релаксации кубитов 1 и 2 составляют 0.3 и 1 мкс, а времена их дефазировки – 0.8 и 0.2 мкс соответственно. Авторы отмечают, что предложенную ими методику можно применять и к системам из большого числа потоковых кубитов. Они также обсуждают возможные пути ослабления эффектов декогеренции и увеличения скорости двухкубитных операций.

Автор: А.В. Елецкий