Российские ученые рассмотрели движение пары фотонов в двумерном массиве сверхпроводящих кубитов и доказали, что использование топологических состояний позволяет защитить результаты простейших квантовых вычислений от некоторых типов беспорядка. Работа открывает новые возможности для развития сверхпроводящих квантовых процессоров. Исследование, поддержанное программой развития Университета ИТМО ― 2030 и грантом Российского научного фонда, опубликовано в журнале Physical Review Letters.
В последние годы ученые уделяют большое внимание сверхпроводящим процессорам нового поколения, прообразам будущих квантовых компьютеров. Такие устройство состоят из кубитов двухуровневых квантовых систем. В отличие от классических триггеров, которые имеют всего два состояния — включен и выключен, — квантовый бит может находиться в произвольной суперпозиции этих двух положений. Современные сверхпроводящие процессоры насчитывают всего около 60 кубитов, а дальнейшему развитию технологии мешает разброс параметров квантовых битов. Кроме того, взаимодействие с окружающей средой и тепловые шумы разрушают суперпозиционные состояния кубитов.
Ученые из ИТМО предложили подход, с помощью которого можно преодолеть это фундаментальное препятствие. Они разработали систему, которая поддерживает топологически защищенные состояния пар фотонов, что обеспечивает устойчивость простейших алгоритмов квантовых вычислений к беспорядку в связях между кубитами.
Топологические состояния — это особый тип состояний, защищенных глобальными симметриями системы, а потому нечувствительных к локальным возмущениям. Такие состояния оказываются устойчивыми к беспорядку, даже если изменить структуру в нескольких местах. Основываясь на этом свойстве, ученые по всему миру разрабатывают топологически защищенные волноводы, резонаторы и лазеры. Однако возможность защитить квантовые вычисления с помощью похожих подходов оставалась практически неисследованной.
«Мы спроектировали двумерный массив кубитов и исследовали, как в нем движутся пары фотонов. Нюанс в том, что эти частицы “не знают” ничего друг о друге, пока в систему не введено какое-либо эффективное взаимодействие между ними, — рассказывает соавтор исследования Андрей Степаненко. — Чтобы эффективное взаимодействие фотонов было сильным, мы использовали переход Джозефсона — диэлектрик, расположенный между двумя сверхпроводниками; многие сверхпроводящие кубиты построены именно на этом элементе. Это позволило нам создать топологическую фазу, заставить фотоны взаимодействовать и сформировать связанное состояние».
За счет взаимодействия частиц система приобретает особенный топологический порядок. Поскольку структура двумерная, то на ее границе появляются уже два типа состояний — краевое и угловое. Ученые проверили, как беспорядок в системе может влиять на краевые состояния. Для этого они промоделировали реальную структуру, в которой кубиты немного различаются. Наблюдая за изменениями спектра системы, они убедились, что если краевое состояние топологическое, то оно будет защищено от флуктуаций в связях между кубитами.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
