В гостях у авторов Telegram-канала «Сверхпроводниковые квантовые технологии»
Интервью провел Сливка Глеб
Поговорили о физике сверхпроводниковых кубитов простыми словами:
Что такое джозефсоновский переход, почему кубит называют искусственным атомом, откуда берётся шум и где сегодня находится главное ограничение технологии.
Блок 1 — Немного физики
Как работают сверхпроводниковые кубиты
Вопрос — Сливка Глеб
Сверхпроводимость обусловлена наличием конденсата из спаренных электронов. Но при создании устройств (кубитов) нужно иметь дело с макроскопическими объектами — джозефсоновскими переходами. Можете простыми словами объяснить, как они работают?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Джозефсоновский тунельный контакт - это очень тонкий барьер для носителей заряда, разделяющий сплошной сверхпроводник на два "берега". Физика сверхпроводимости диктует, что через такой барьер может течь ток без падения напряжения, но с изменением (падением) сверхпроводниковой фазы. Но мы можем не вдаваться в детали микроскопических процессов и объяснить происходящее на уровне феноменологии.
С электротехнической точки зрения, такой барьер ведет себя как очень большая и при этом очень нелинейная индуктивность. "Большая" означает то, что она гораздо больше той индуктивности, которую могла бы иметь, скажем, катушка схожих размеров. "Нелинейная" - такая индуктивность, которая становится эффективно больше, если через нее протекает больший ток.
С электротехнической точки зрения, такой барьер ведет себя как очень большая и при этом очень нелинейная индуктивность. "Большая" означает то, что она гораздо больше той индуктивности, которую могла бы иметь, скажем, катушка схожих размеров. "Нелинейная" - такая индуктивность, которая становится эффективно больше, если через нее протекает больший ток.
При этом в таком элементе почти отсутствуют потери, потому что он сделан по сути из сверхпроводника, а прослойка изолятора очень тонкая, несколько нм - это не превосходит длину когерентности в сверхпроводнике.
Если вдобавок к обычным емкостям и индуктивностям у вас в распоряжении есть еще и такой необычный элемент как джозефсоновский контакт, становится очень удобно конструировать электрические схемы с самыми различными свойствами, при этом работающие как квантовая система.
Если вдобавок к обычным емкостям и индуктивностям у вас в распоряжении есть еще и такой необычный элемент как джозефсоновский контакт, становится очень удобно конструировать электрические схемы с самыми различными свойствами, при этом работающие как квантовая система.
Кубит как искусственный атом
Вопрос — Сливка Глеб
Мы часто слышим, что кубит — это искусственный атом. Почему джозефсоновский контакт ведет себя как атом?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Изолированный атом того или иного элемента из периодической таблицы - это просто очень хорошая квантовая система. "Хорошая" означает несколько свойств: определены собственные уровни энергии, они хорошо разделяются, имеется возможность возбуждать систему на один из уровней, либо давать ей релаксировать в основное состояние, снимать вырождение магнитным полем и многое, многое другое.
Оказалось, что подобными свойствами обладают и системы из джозефсоновских контактов - квантовые электрические цепи - и обладают не всегда, но при некоторых условиях. Сверхпроводник должен быть хорошо охлажден, изолирован от шумов, а соотношения между емкостями и индуктивностями составных элементов цепи, определяющие собственные энергии системы (примерно так же, как они определяют собственную частоту в обычном в LC-контуре), должны быть такими, чтоб частоты переходов попали в удобный диапазон, и главное, не превысили величину сверхпроводящей щели.
Тогда электрическая цепь будет себя вести в точности как атом, и можно работать с ней, манипулируя ее квантовыми состояниями.
Оказалось, что подобными свойствами обладают и системы из джозефсоновских контактов - квантовые электрические цепи - и обладают не всегда, но при некоторых условиях. Сверхпроводник должен быть хорошо охлажден, изолирован от шумов, а соотношения между емкостями и индуктивностями составных элементов цепи, определяющие собственные энергии системы (примерно так же, как они определяют собственную частоту в обычном в LC-контуре), должны быть такими, чтоб частоты переходов попали в удобный диапазон, и главное, не превысили величину сверхпроводящей щели.
Тогда электрическая цепь будет себя вести в точности как атом, и можно работать с ней, манипулируя ее квантовыми состояниями.
Главный враг кубитов — шум
Вопрос — Сливка Глеб
Главный враг кубитов — шум. Какие физические процессы убивают квантовое состояние быстрее всего? И как с этим борются физики?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Сверхпроводниковый кубит - достаточно чувствительная электромагнитная система. Он живет на полупроводниковой подложке, в толще и на поверхности которой происходят различные процессы, в результате там может флуктуировать заряд.
Это сбивает резонансную частоту кубита и приводит к утечке энергии в подложку.
Это сбивает резонансную частоту кубита и приводит к утечке энергии в подложку.
Кроме того, шум может приходить извне: комнатная температура ужасно велика по сравнению с теми энергиями, при которых работает кубит. Бороться с шумами, утечками энергии и сбоем фазы можно и нужно всеми возможными способами: оптимизировать схемотехнические решения на чипе, оптимизировать качество управляющих импульсов и способы подключения управляющих линий, наконец, подбирать удачные комбинации материалов, не дающие больших потерь на поверхностях раздела.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Сверхпроводимость при комнатной температуре
Вопрос — Сливка Глеб
В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Есть ли надежда на сверхпроводимость при комнатной температуре?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
ВТСП - довольно сложные материалы, обладающие большой анизотропией и нестехиометричностью. В таких сложных структурах трудно предсказать электронные свойства заранее, поскольку слишком много факторов влияет на то, будет ли материал сверхпроводить и при какой температуре. Получение сверхпроводимости при комнатной температуре априори не является научной фантастикой или неразрешимой задачей.
В отличие от вечных двигателей, это не запрещено каким бы то ни было фундаментальным законом природы. Однако, с инженерной и расчетной точки зрения в рамках современных наук о материалах проблема как предсказания, так и синтеза ВТСП - очень сложна, и довольно трудно предсказать как сроки такого прорыва, так и указать на конкретные материалы или даже на такие их семейства, где будет полученна именно комнатная сверхпроводимость.
В отличие от вечных двигателей, это не запрещено каким бы то ни было фундаментальным законом природы. Однако, с инженерной и расчетной точки зрения в рамках современных наук о материалах проблема как предсказания, так и синтеза ВТСП - очень сложна, и довольно трудно предсказать как сроки такого прорыва, так и указать на конкретные материалы или даже на такие их семейства, где будет полученна именно комнатная сверхпроводимость.
Теория ВТСП
Вопрос — Сливка Глеб
Существует ли единая теория высокотемпературной сверхпроводимости?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Нет, с уверенностью можно сказать, что простейшая теория сверхпроводимости БКШ предсказывает неточные значения критических температур у ВТСП, то есть, не даёт количественного согласия с реальностью.
Возможные расширения теории БКШ делают более сложные предположения о типе спаривания, вплоть до отказа о гипотезе спаривания через фононы и привлечения в качестве возможного медиатора взаимодействия других механизмов, известных из физики твердого тела (магнитную связь, псевдощелевую фазу по типу изолятора Мотта, поляронное спаривание и т.д.), но все это значительно усложняет теорию и пока не приносит однозначного успеха. Возможно, объяснение и предсказание ВТСП станет одним из великих открытий физики XXI века.
Возможные расширения теории БКШ делают более сложные предположения о типе спаривания, вплоть до отказа о гипотезе спаривания через фононы и привлечения в качестве возможного медиатора взаимодействия других механизмов, известных из физики твердого тела (магнитную связь, псевдощелевую фазу по типу изолятора Мотта, поляронное спаривание и т.д.), но все это значительно усложняет теорию и пока не приносит однозначного успеха. Возможно, объяснение и предсказание ВТСП станет одним из великих открытий физики XXI века.
Блок 2 — Тренды и перспективы
Почему корпорации выбрали сверхпроводники
Вопрос — Сливка Глеб
Почему крупные корпорации сделали ставку на сверхпроводниковую платформу?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Можно предположить, что крупные инвесторы - причем, не просто инвесторы, а лидеры именно IT-индустрии, хорошо понимающие в обычных компьютерах - увидели прозрачный технологический путь масштабирования сверхпроводниковых устройств до тех масштабов, при которых квантовое преимущество становится возможным.
Но это не означает, что физическая сторона дела вполне ясна: даже в сверхпроводниковой платформе предстоит решить ряд как физических, так и технических задач, прежде чем качество систем позволит говорить о реально устойчивых квантовых вычислениях. В других платформах так же есть недостатки: в первую очередь, сложность масштабирования.
Еще один из наиболее значимых параметров, по которому сверхпроводники на порядки выигрывают у всех остальных - быстродействие, скорость выполнения отдельных операций. В некоторых задачах это может стать ключевым фактором, например, если мы говорим о параллельных вычислениях, или об обучении квантовой нейросети.
Но это не означает, что физическая сторона дела вполне ясна: даже в сверхпроводниковой платформе предстоит решить ряд как физических, так и технических задач, прежде чем качество систем позволит говорить о реально устойчивых квантовых вычислениях. В других платформах так же есть недостатки: в первую очередь, сложность масштабирования.
Еще один из наиболее значимых параметров, по которому сверхпроводники на порядки выигрывают у всех остальных - быстродействие, скорость выполнения отдельных операций. В некоторых задачах это может стать ключевым фактором, например, если мы говорим о параллельных вычислениях, или об обучении квантовой нейросети.
Архитектуры кубитов
Вопрос — Сливка Глеб
Сейчас исследователи активно работают над созданием сверхпроводящего квантового компьютера, в основе которого лежат кубиты. Какие архитектуры сверхпроводниковых кубитов вообще существуют? Какие из них, по вашему мнению, победят в квантовой гонке?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Пока создатели процессоров работают с простейшим типом кубита, так называемый кубит трансмон. По сути, это сильно нелинейный параллельный LC контур, который по ряду причин очень нечувствителен к внешнему зарядовому шуму.
Имеются у него и ограничения, связанные с относительно узким диапазоном рабочих параметров, а также с паразитной остаточной связью, которая мешает делать точные двухкубитные операции, хотя и с этим успешно борются.
Имеются у него и ограничения, связанные с относительно узким диапазоном рабочих параметров, а также с паразитной остаточной связью, которая мешает делать точные двухкубитные операции, хотя и с этим успешно борются.
Трансмон - лишь один из возможных типов сверхпроводниковых кубитов. Другие типы - потоковый кубит, кубит-флаксониум, некоторые другие - дают гораздо большее разнообразие потенциалов, и как следствие - собственных энергий уровней и частот переходов между ними.
Как правило, другие типы кубитов более подвержены потоковому шуму, поэтому из них гораздо сложнее делать большие регистры: только сейчас некоторые группы начинают работать над созданием больших схем из потоковых и других похожих кубитов. Какой именно тип схемы поможет победить в квантовой гонке, сказать довольно трудно, многое будет зависеть от реализации и о возможных преодолениях тех ограничений, о которых мы говорили ранее.
Как правило, другие типы кубитов более подвержены потоковому шуму, поэтому из них гораздо сложнее делать большие регистры: только сейчас некоторые группы начинают работать над созданием больших схем из потоковых и других похожих кубитов. Какой именно тип схемы поможет победить в квантовой гонке, сказать довольно трудно, многое будет зависеть от реализации и о возможных преодолениях тех ограничений, о которых мы говорили ранее.
Узкое место технологии
Вопрос — Сливка Глеб
Что сейчас является самым узким местом в технологии? Количество кубитов? Их качество? Электроника управления? Как учёные борются с этими проблемами?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
Все перечисленное требует глубокого понимания физических процессов и напряженной инженерной работы. Прогресс здесь скорее поступательный и достигается за счёт постоянной работы высококвалифицированных коллективов, а также за счёт весьма серьезных и постоянных финансовых вложений в R&D. С осторожностью можно сказать, что качество кубитов является сейчас наиболее "узким местом", но буквально за последние 2-3 года и в этом направлении достигнут существенный прогресс.
Когда появятся полезные квантовые компьютеры
Вопрос — Сливка Глеб
Когда, по вашему мнению, мы увидим первый сверхпроводящий квантовый компьютер, который будет полезен компаниям для решения их задач?
Ответ — Сверхпроводниковые квантовые технологии
При текущем уровне технологии и динамике развития, работающее и полезное квантовое устройство через 6-8 лет - не выглядит как научная фантастика, это вполне возможный сценарий
Некоторые до сих пор не верят в возможность полетов к Луне, однако, совсем недавно очередной такой полет завершился успешно. Но нужно заметить, как мы писали и в нашем канале, прогресс возникает не сам по себе, он возможен при наличии подходящей среды - кадровой, финансовой, организационной.
Многое будет зависеть от заинтересованности инвесторов и крупных индустриальных компаний, потенциальных потребителей квантовых решений.
Многое будет зависеть от заинтересованности инвесторов и крупных индустриальных компаний, потенциальных потребителей квантовых решений.
Финал статьи
Сверхпроводниковые кубиты остаются одной из наиболее перспективных технологий квантовых вычислений. Несмотря на сложности, развитие продолжается быстрыми темпами.
Ключевые задачи сегодня:
- повышение качества кубитов
- снижение шума
- масштабирование архитектур
Решение этих задач определит будущее квантовых вычислений.
Спасибо авторам канала Сверхпроводниковые квантовые технологии (https://t.me/SQTech) за уделенное время и интересное интервью!
Спасибо авторам канала Сверхпроводниковые квантовые технологии (https://t.me/SQTech) за уделенное время и интересное интервью!
Подписывайтесь на их канал и любите науку!)