4.1. Основні типи надпровідникових кубітів.

Надпровідниковий стан є макроскопічним квантовим станом, аналогічним чистим квантовим станам в найпростіших квантових системах. Якісна відмінність надпровідників полягає в тому, що в цьому стані утворюється бозе-конденсат з макроскопічно великого числа куперовських пар електронів.

Звернення до надпровідниковихелементів з метою використання їх в якості кубітів пов’язано, головним чином, з надією на те, що в цьому випадку вдасться виключити використання таких складних громіздких допоміжних пристроїв, як лазери, СВЧ – генератори, потужні магніти і т. п., і створити квантовий комп’ютер, керуючий тільки електричними імпульсами. Крім того, прояв квантових властивостей у надпровідникових пристроях макроскопічних розмірів робить їх привабливими і з точки зору створення маштабованих квантових схем: режим когерентної квантової динаміки в них може бути досягнутий вже на макроскопічних елементах мікрометрових маштабів, що не вимагають для свого виготовленнявисокотосної нанотехнології. Це дозволило б вже при сучасному рівні розвитку технології створювати надпровідникові інтегральні схеми високого ступення інтеграції, подібні напівровідниковим інтегральним схемам і дало б надпровідниковим квантовим елементам суттєві переваги при створенні повномаштабних квантових комп’ютерів в порівнянні з будь-якими іншими варіантами.

4.3.1. Варіант кубіта на переходах Джозефсона у високотемпературних надпровідниках.

У повідомленні [7.12] був запропонований і проаналізовано варіант кубіта на високотемпературних надпровідниках типу YBa₂Cu₃O₇ (d-надпровідник), що відрізняється від звичайних надпровідників симетрією хвильових функцій об’єднуючих електронів. Основна ідея такого кубіта полягає у використанні d-характеру симетрії хвильової функції надпровідного макроскопічного стану. У цьому варіанті кубіт являє собою структуру, що складається з двох джозефсонівських переходів між звичайними s-надпровідниками (S) і розташованим між ними d-надпровідником (D), які утворюють так званий SDS-перехід, включений в інтерференційну петлю сквіду з малою індуктивністю, великої ємності С_ext і звичайного (SS) джозефсонівського переходу.

Залежність потенційної енергії такої структури від фазової змінної має вигляд

де E_d і Е_s - енергії зв'язку для SD - і SS - переходів. На відміну від випадку звичайного надпроводнікового кубіта вона має два мінімуми при і, відповідно, два квантових стани, здатних утворювати суперпозиції. У звичайному пристрої на сквіді керування нищестоящими квантовими станами проводиться з допомогою зовнішнього магнітного поля або струму в петлі. У цьому випадку виникають далекі взаємодії між різними сквідами, а також небажані взаємодії з оточенням. У запропонованому в [7.12] варіанті в залежності від типу виконуваних квантових операцій за допомогою ключів, виконаних на одноелектронних транзисторах, проводиться підключення ємності С_ext паралельно SD - і SS - переходам. При цьому система залишається ізольованою від оточення, стани кубіта не мають струмів, а перемикання виробляються при мінімальному контакті з оточенням. Геометрія петлі дозволяє забезпечити виконання функції бістабільного елемента, задовільняючого всім вимогам, що пред'являються для кубіта. Крім того, така система володіє і властивостями, необхідними для виконання класичних обчислювальних операцій на основі булевої логіки. Основні переваги такого кубіта, на думку авторів [7.12], полягають у наступному:

1) насамперед, це природний бістабільний елемент, що не потребує для підтримування стаціонарного стану зовнішнього живлення або магнітних полів;

2) базисні стани інтерференційної петлі з малою індуктивністю не залежать від струму в петлі, а магнітний потік у ній постійний і дорівнює одному кванту Ф₀, тому далекі взаємодії з іншими елементами комп'ютера виключені. Кубіт виявляється максимально ізольованим від оточення;

3) відсутній механізм декогеренції, пов'язаний з накопичувачем відмінності фаз в початковому стані з плином часу;

4) всі операції можуть бути виконані як прості оборотні процеси перемикання при мінімальному контакті з зовнішнім світом.