Как пощупать квант
Невозможно не задаться вопросом, как же построить компьютер из квантовых объектов? Существует несколько способов наладить общение с квантовым миром, и один из них основан на эффекте сверхпроводимости.
Собственно кубит представляет собой кольцо из алюминия, который при температурах ниже 1,18 К начинает сверхпроводить. Само колечко размером 5−10 микрон вполне макроскопично: его можно рассмотреть в мощный оптический микроскоп. Однако при сверхпроводимости в нем образуются так называемые куперовские пары (два электрона, связанные фононным взаимодействием). Именно они и являются квантовыми объектами. Важнейшее свойство куперовских пар заключается в способности действовать совокупно, образовывая бозе-конденсат — особое агрегатное состояние вещества, в котором квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.
Присмотревшись к изображению, полученному с помощью микроскопа, можно заметить, что в трех местах кольцо разрывается. Это джозефсоновские переходы. За открытие эффекта протекания сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, Брайан Дэвид Джозефсон получил нобелевскую премию, и совершенно заслуженно. Именно на особенностях джозефсоновских переходов строится управление кубитом и считывание его состояния.
При протекании тока контакт начинает излучать электромагнитные волны. Возможен и обратный процесс — прием электромагнитных волн и соответствующее изменение энергетического уровня кубита. Мало того, достаточно длинный переход придает процессу некоторую дискретность: для того, чтобы изменить состояние кубита, необходимо послать строго определенное количество квантов магнитного поля. Таким образом, кубит реагирует строго на управляющие импульсы, а не на любое мало-мальское изменение электромагнитного поля.
Тем не менее кубит — это очень чувствительный объект, который необходимо защищать даже от самых слабых помех. Сам кубит располагается на подложке в окружении множества сверхпроводящих колечек. Это ловушки для вихрей Абрикосова — блуждающих квантов магнитного поля, возникающих в сверхпроводниках.
Подложка, содержащая кубит и ловушки, хорошо видна невооруженным глазом. На чипе располагается семь таких конструкций. Прямые линии, идущие к каждой из них, — это резонаторы. Они также сделаны из сверхпроводника и работают по принципу камертона — каждому резонатору свойственна своя частота.
Резонатор подходит вплотную к кубиту, но не касается его. Каждому состоянию кубита соответствует определенная частота магнитного поля, излучаемого джозефсоновскими переходами. Как только частота кубита приближается вплотную к частоте резонатора, между ними возникает связь. Резонатор захватывает часть энергии, и его частота слегка изменяется.
Этого вполне достаточно, чтобы зафиксировать искомое состояние кубита на спектроскопии.
Семь кубитов, расположенных на чипе, пока что никак не связаны между собой и, соответственно, не являются квантовым компьютером. Зато они позволяют проводить семь экспериментов одновременно. Каждый резонатор настроен на свою частоту и сообщает спектрографу информацию о своем кубите.