В гонке за создание практичных квантовых компьютеров исследователи из Финляндии достигли нового рубежа, увеличив время когерентности сверхпроводящего трансмонного кубита до почти одной миллисекунды. Этот результат значительно превосходит предыдущие рекорды и приближает возможность создания устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных систем.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые из Университета Аалто и Центра технических исследований VTT Финляндии сообщили, что их трансмонный кубит продемонстрировал рекордные показатели времени релаксации энергии (T₁) и времени фазовой когерентности (T₂). Один из образцов показал время фазовой когерентности свыше 1 миллисекунды (1,057 мс), что более чем в три раза превышает лучшие результаты, зафиксированные ранее.
"Мы измерили время фазовой когерентности трансмонного кубита, которое достигло миллисекунды в максимуме, а в среднем составило полмиллисекунды", — заявил автор исследования, аспирант Университета Аалто Микко Туоккола. "Средний показатель особенно важен, так как он также превосходит текущие рекордные значения".
Время когерентности — это период, в течение которого кубит сохраняет свое квантовое состояние, прежде чем подвергнуться воздействию внешних шумов и декогеренции. Два ключевых параметра — T₁ и T₂ — определяют, как долго кубит остается пригодным для вычислений. Исторически низкая когерентность была одним из главных ограничений, не позволяющих выполнять сложные квантовые операции без накопления ошибок. Рекордный кубит команды показал среднее время релаксации энергии 425 микросекунд (максимум — 666 микросекунд) и среднее время фазовой когерентности 541 микросекунду (пиковое значение — 1 057 микросекунд). Для сравнения, лучшие трансмонные кубиты до этого редко превышали порог в 400 микросекунд. "Эти результаты превосходят ранее зарегистрированные показатели для трансмонных кубитов", — отмечают исследователи.
"Данное достижение представляет собой значительный шаг в разработке высококогерентных сверхпроводящих кубитов, приближая их к миллисекундному рубежу".
Трансмонные кубиты, впервые представленные в 2007 году, являются основой современных сверхпроводящих квантовых архитектур, включая системы Google и IBM. Их конструкция использует джозефсоновские переходы и шунтирующий конденсатор для подавления шумов, что делает их перспективными для масштабируемых решений. Даже небольшое увеличение времени когерентности может существенно снизить уровень ошибок и повысить надежность вычислений. Особую значимость этому достижению придает то, что результат не был случайным. Ученые уделили особое внимание воспроизводимости, подробно описав методы изготовления и измерения в своей публикации. Это дает другим исследователям и компаниям возможность повторить или улучшить данный результат.
"Мы представляем детальную информацию о нашей конструкции, методах изготовления и измерительной установке для высококогерентного трансмонного кубита", — подчеркивают авторы. "Подробное описание таких кубитов ускорит глобальные усилия по созданию квантовых сенсоров, симуляторов и компьютеров на основе сверхпроводящих технологий".
Для достижения рекордных показателей ученые использовали ряд инноваций, включая оптимизированное напыление ниобия, точное изготовление джозефсоновских переходов с помощью электронно-лучевой литографии, а также тщательную термическую и химическую обработку для минимизации дефектов. Важную роль сыграл параметрический усилитель бегущей волны (TWPA), который улучшил точность измерений, не добавляя значительных шумов. Во втором эксперименте, проведенном после повторного охлаждения системы, когерентность осталась высокой, хотя и не достигла первоначальных пиковых значений. Исследователи связывают это с окислением и изменениями в условиях хранения, что подчеркивает сложность поддержания высокой когерентности даже после изготовления кубита.
"Наш метод изготовления и экспериментальная установка могут быть применены и к другим типам сверхпроводящих кубитов, включая унимонные кубиты, для увеличения их времени когерентности, а также для масштабного производства", — отмечают ученые.
Это достижение особенно важно в свете разработки квантовых процессоров с коррекцией ошибок. Современные системы требуют значительных ресурсов для компенсации ошибок, вызванных ограниченным временем жизни кубитов. Увеличение когерентности до миллисекундного диапазона может значительно снизить эти затраты и открыть путь к более эффективным квантовым вычислениям. Финляндия укрепляет свои позиции как один из лидеров в области квантовых технологий, присоединяясь к таким странам, как США, Китай и Нидерланды.
"Мы смогли воспроизводимо создавать высококачественные трансмонные кубиты", — пояснил соавтор исследования, постдокторант Стэнфордского университета доктор Йошики Сунада.
"То, что это стало возможным в чистой комнате, доступной для академических исследований, подтверждает лидирующую позицию Финляндии в квантовой науке и технологиях".
При поддержке Финского научного совета, Европейского исследовательского совета и Финского квантового института проект демонстрирует, как стратегические инвестиции в квантовые исследования приводят к мировым достижениям.
"Это знаковое достижение укрепило позиции Финляндии как глобального лидера в этой области", — отметил соавтор работы, руководитель исследовательской группы Quantum Computing and Devices (QCD) Университета Аалто доктор Микко Мётёнен. "Мы двигаемся вперед, расширяя границы возможного в квантовых компьютерах будущего".