Одна из главных трудностей квантовых вычислений заключается в том, что получение информации способно изменить состояние, которое требуется измерить. Обычный компьютерный бит можно проверить многократно, но кубит подчиняется другим законам: его состояние может представлять собой суперпозицию нуля и единицы. Прямое измерение обычно даёт один из двух результатов, уничтожая исходную суперпозицию. Международная группа физиков предложила необычный способ обойти эту проблему — считывать информацию по электрическому току, который создаёт сама квантовая система.
Исследование, опубликованное в Physical Review B, выполнено под руководством Хосе Карлоса Эгеса из Университета Сан-Паулу и Югуи Яо из Пекинского технологического института. Учёные рассмотрели особый тип квантового бита — андреевский кубит, использующий электронные состояния в контакте со сверхпроводниками. Расчёты показали, что его собственная квантовая динамика способна создавать переменный сверхток без внешнего напряжения. Характеристики этих колебаний содержат сведения о состоянии кубита.
Название связано с советским физиком Александром Андреевым, описавшим в 1964 году необычный процесс на границе нормального металла и сверхпроводника. При андреевском отражении электрон, взаимодействуя с такой границей, может отражаться в виде дырки — коллективного возбуждения, соответствующего отсутствующему электрону. Благодаря этому механизму в коротких сверхпроводящих контактах возникают особые связанные состояния. Их можно использовать для кодирования квантовой информации.
В предложенной конструкции квантовая точка формируется в нанопроводе из арсенида индия, соединённом с двумя сверхпроводящими контактами. Квантовая точка представляет собой наноскопическую область, где движение электронов ограничено настолько сильно, что их энергетические состояния становятся дискретными. Два подходящих андреевских состояния образуют основу кубита. Его квантовая суперпозиция может изменяться со временем, сохраняя определённую фазовую связь между компонентами.
Именно эта связь оказалась ключом к считыванию. Когда кубит находится в суперпозиции, сверхток через контакт содержит не только постоянную, но и колебательную составляющую. Амплитуда и среднее значение тока позволяют определить относительные вклады базовых состояний, а начальная фаза колебаний — их фазовое соотношение. Вместе эти параметры дают возможность восстановить исходное квантовое состояние, не выполняя обычного прямого измерения кубита.
Для наглядности состояние кубита часто представляют точкой на сфере Блоха. Это математическая модель, в которой два угла задают соотношение вероятностей измерения нуля и единицы и относительную фазу между ними. Предложенный метод фактически переводит информацию об этих углах в характеристики электрического сигнала. Вместо непосредственного измерения хрупкой суперпозиции исследователи предлагают анализировать её проявление в сверхтоке.
Особенно интересно происхождение колебаний. В обычном нестационарном эффекте Джозефсона переменный сверхток возникает при приложении постоянного напряжения к сверхпроводящему контакту. Здесь внешний источник напряжения не требуется: ток меняется благодаря собственной когерентной эволюции андреевского кубита. Получается своеобразный мост между микроскопическим квантовым состоянием и измеримым электрическим явлением.
Чтобы зарегистрировать сигнал, авторы предлагают включить кубит в замкнутый сверхпроводящий контур. Протекающий по нему ток создаёт слабое магнитное поле, которое улавливает расположенный рядом СКВИД — сверхпроводящий квантовый интерферометр, чрезвычайно чувствительный магнитный датчик. Небольшая измерительная катушка передаёт изменения магнитного потока этому прибору. Таким образом, состояние кубита определяют косвенно, наблюдая за создаваемым им магнитным сигналом.
В существующих схемах квантового считывания часто применяют вспомогательные кубиты, называемые анциллами. С ними связывают исследуемую систему, после чего измеряют вспомогательный элемент. Такой подход позволяет уменьшать нежелательное воздействие, но требует дополнительных операций, управления связями и подготовки квантовых состояний. Новый метод потенциально избавляет от этой инфраструктуры, поскольку использует сигнал самого андреевского кубита.
Однако отсутствие прямого измерения не означает полного отсутствия воздействия. Любой детектор взаимодействует с исследуемой системой, а значит, способен вносить возмущения. Авторы учли обратное влияние измерительной катушки и шумы в компьютерной модели. При разных количествах измерений расчётная точность восстановления состояния составила 99,52%, 99,81% и 99,85%.
Важное преимущество предложенной схемы — возможность следить за эволюцией состояния без обязательного возвращения кубита в исходное положение после каждого измерения. Это потенциально позволит наблюдать динамические квантовые процессы последовательными измерениями. Вместе с тем высокая точность реконструкции не означает, что состояние сохраняется абсолютно неизменным или что устройство уже соответствует всем требованиям практической квантовой коррекции ошибок.
Пока работа остаётся полностью теоретической: экспериментального устройства с предложенной геометрией исследователи не изготовили. При этом расчёты опираются на параметры существующих сверхпроводящих систем и доступные технологии регистрации слабых магнитных полей. Если предсказания подтвердятся, андреевские кубиты смогут стать основой более компактных схем считывания квантовой информации. Главный научный результат состоит в самой возможности использовать колебания сверхтока как источник сведений о квантовой суперпозиции, минимально вмешиваясь в её динамику.
А затем «Добавить на главный экран».
