Слой из 10 атомов золота решает проблему шума квантовых чипов и не снижает их быстродействия

Способность квантовых вычислений решать задачи, на решение которых у классических компьютеров ушли бы тысячелетия, привлекает всеобщий интерес. Но путь к функциональным, масштабируемым квантовым машинам сопряжен с фундаментальными трудностями. В основе проблемы лежит кубит, квантовая версия цифрового бита. Кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно, но это хрупкое состояние, известное как квантовая когерентность, чрезвычайно чувствительно к влиянию окружающей среды. Дефекты даже атомарного масштаба в материалах, из которых изготовлены кубиты, могут нарушить их работу. Однако, как сообщают американские источники информации, Пэн Вэй, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Риверсайде, возможно, решил эту постоянную проблему, использовав слой золота толщиной всего в несколько атомов.

Квантовые компьютеры используют сверхпроводящие материалы для управления кубитами, хранящими квантовую информацию, и их сохранение. Однако несовершенства поверхности этих сверхпроводников уже давно создают нестабильность, вносят шум и приводят к разрушению хрупких квантовых состояний. Этот недостаток препятствует надежному масштабированию квантовых систем. В этой связи Пэн Вэй из Калифорнийского университета в Риверсайде сообщил о разработке его команды технологии нанесения равномерного ультратонкого слоя золота на ниобий, один из наиболее широко используемых сверхпроводящих металлов. Команда исследователей Вэя обнаружила, что этот слой толщиной примерно в десять атомов сглаживает поверхностные дефекты без ущерба для сверхпроводящих свойств основного материала. “Используя золото в этих ключевых интерфейсах, мы можем обеспечить более чистый путь прохождения сигнала и уменьшить потери в сверхпроводящей цепи”, - указывает Вэй.

Кубиты в сверхпроводящих системах удерживаются тем, что физики называют куперовскими парами — парами электронов, которые движутся вместе без сопротивления. Поверхностные дефекты в таких материалах, как ниобий, разрушают эти пары, действуя как крошечные ловушки, из-за которых кубиты теряют свою когерентность. “Проблема сверхпроводящих поверхностей в том, что они никогда не бывают идеальными”, - уточняет Вэй. “Эти дефекты становятся маленькими ловушками для разрыва куперовских пар, что может ухудшить производительность кубита”. Поэтому Вэй и его команда сосредоточились на самых внешних атомных слоях материала - области, которую часто упускают из виду при традиционных исследованиях полупроводников. Они использовали “эпитаксиальный” процесс для выращивания кристаллического слоя золота на поверхности ниобия. Поскольку золото химически инертно и не окисляется, оно обеспечивает стабильную и однородную защиту от воздействия окружающей среды. “Слишком толстый слой снижает сверхпроводимость. Слишком тонкий ведет к тому, что дефекты все еще преобладают. Мы нашли «золотую середину»”, - утверждает Вэй. Он подчеркнул, что технология нанесения золотого покрытия совместима с существующими методами изготовления чипов, что может сделать ее привлекательной для компаний, разрабатывающих коммерческие квантовые процессоры.

Инновация уже привлекла внимание крупных исследовательских институтов США. Команды Массачусетского технологического института, Национального института стандартов и технологий (NIST) и SEEQC Inc. начали сотрудничать с Вэй в работе, связанной со сверхпроводящими резонаторами и диодами. В настоящее время группа Вэя тестирует покрытие с другими сверхпроводящими материалами и изучает его потенциал в квантовых датчиках. Управление технологического партнерства Калифорнийского университета в Риверсайде подало заявку на патент в США и помогает Вэю подготовиться к возможной коммерциализации через стартап.

Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.