Возможность практического использования квантовых компьютеров стала еще на один шаг ближе благодаря графену. Специалисты из Массачусетского технологического института и их коллеги из других научных учреждений смогли провести расчет времени суперпозиции, в которой могут находиться кубиты, построенные на базе графена. О результатах исследования сообщает статья Nature Nanotechnology.

Идея квантовой суперпозиции хорошо иллюстрируется знаменитым мысленным экспериментом, получившим название «кот Шредингера». Представьте себе коробку, в которую поместили живого кота, атом, излучающий радиацию с определенной вероятность и устройство, выпускающее смертельный газ, когда обнаруживает радиацию. Закрываем коробку на полчаса. Вопрос: кот в коробке жив или мертв? Если вероятность того, что газ выпускается раз в час, то шансы то, что кот в коробке жив или мертв составляют 50 на 50. Другими словами, кот существует в суперпозиции будучи одновременно «наполовину мертвым» и «наполовину живым». Для подтверждения текущего состояния необходимо открыть коробку и посмотреть, но в то же время этим мы разрушаем состояние суперпозиции.

Квантовые компьютеры используют тот же самый принцип суперпозиции. Традиционные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в битах, работающих в двоичной системе измерения информации – данные приобретают состояние «нулей» или «единиц», которые понимаются компьютером в виде тех или иных команд. В квантовых же компьютерах используются, нет, не полумертвые и полуживые коты, а кубиты — элементарные единицы информации, которые могут приобретать одновременное состояние «нулей» и «единиц». Такая особенность позволяет им существенно превосходить в вычислительных возможностях обычные компьютеры. При этом чем дольше кубиты могут оставаться в этом состоянии (так же известным, как время когерентности), тем более производительным будет квантовый компьютер.

Ученым не было известно время когерентности кубитов на основе графена, поэтому в новом исследовании они решили его рассчитать и одновременно убедиться в том, способны ли такие кубиты находиться в суперпозиции. Как оказалось, могут. Согласно расчетам, время суперпозиции графеновых кубитов составляет 55 наносекунд. После этого они возвращаются в свое «привычное» состояние «нуля».

«В этом исследовании нами двигала мотивация возможности использования свойств графена для улучшения производительности сверхпроводящих кубитов. Мы впервые показали, что состоящий из графена сверхпроводящий кубит может временно принимать состояние квантовой когерентности, что является ключевым условием для построения более сложных квантовых цепей. Мы создали устройство, которое позволило впервые измерить время когерентности графенового кубита (первичной метрики кубита) и выяснить, что время суперпозиции этих кубитов обладает достаточной продолжительностью, позволяя человеку управлять этим состоянием», — комментирует работу ведущий автор исследования Джоэл И-Ян Ван.

Может показаться, что время когерентности в 55 наносекунд для кубита – это не так уж и много. И вы не ошибетесь. Это на самом деле немного, особенно учитывая, что кубиты, созданные на базе других материалов, показывали время когерентности, в сотни раз превосходящие этот показатель, косвенно свидетельствуя о том, что для квантовых компьютеров они обладают более высокой производительностью. Однако графеновые кубиты обладают своими преимуществами над другими видами кубитов, отмечают исследователи.

Например, графен обладает одной очень странной, но полезной особенностью – он способен приобретать свойства сверхпроводимости, «копируя» ее у соседних сверхпроводящих материалов. Ученые из Массачусетского технологического института проверили это свойство, поместив тонкий лист графена между двумя слоями нитрида бора. Расположение графена между этими двумя слоями сверхпроводящего материала показало, что графеновые кубиты могут переключаться между состояниями при воздействии на них энергии, а не магнитного поля, как это происходит в кубитах из других материалов.

Преимущество такой схемы заключается в том, что кубит в этом случае начинает действовать, скорее, как традиционный транзистор, открывая возможность объединения большего числа кубитов на одном чипе. Если говорить о кубитах на базе других материалов, то они работают при использовании магнитного поля. В этом случае в чип пришлось бы интегрировать токовую петлю, которая в свою очередь занимала бы дополнительное пространство на чипе, а также мешала ближайшим кубитам, что приводило бы к ошибкам в вычислениях.

Ученые добавляют, что использование графеновых кубитов более эффективно, поскольку два внешних слоя нитрида бора выступают в качестве защитной оболочки, защищая графен от дефектов, через которые могли бы просачиваться бегущие по цепи электроны. Обе эти особенности могут действительно помочь в создании практических квантовых компьютеров.

Малое время когерентности графеновых кубитов ученых совсем не пугает. Исследователи отмечают, что смогут решить этот вопрос, изменив структуру самого графенового кубита. Помимо этого, специалисты собираются более детально разобраться в том, как через эти кубиты перемещаются электроны.