Умный ускоритель для кубитов: новый подход увеличивает скорость и стабильность

a) Цветное сканирующее электронное микрофотографическое изображение нанопроволочного устройства. b) Схема PSB. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62614-z

Квантовые компьютеры вызывают большие надежды: они должны выполнять определённые вычисления гораздо быстрее современных суперкомпьютеров и решать научные и практические задачи, недоступные обычным компьютерам. Центральным элементом квантового компьютера является кубит (квантовый бит), который можно реализовать разными способами — например, используя энергетические уровни атомов или спины электронов.

Однако при создании таких кубитов исследователи сталкиваются с дилеммой. С одной стороны, кубит должен быть максимально изолирован от окружающей среды. В противном случае его квантовые суперпозиции быстро разрушаются, и вычисления нарушаются. С другой стороны, кубиты, как и классические биты, хочется управлять как можно быстрее, что требует сильного взаимодействия с окружением.

Обычно эти два условия невозможно выполнить одновременно, так как более высокая скорость управления автоматически приводит к ускоренному распаду суперпозиций и сокращению времени когерентности.

Команда под руководством профессора Доминика Цумбюля из Базельского университета смогла настроить спиновый кубит таким образом, что одновременно увеличились и его скорость, и время когерентности. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, в будущем могут сделать другие кубиты быстрее и стабильнее.

Умное «нажатие на газ»

«Сначала мы задались вопросом: что будет, если просто „нажать на газ“ нашего кубита — но не абы как, а с умом», — говорит доктор Мигель Х. Карбальдо, первый автор исследования.

Он и его коллеги создали крошечное устройство из нанопроволоки диаметром всего 20 нанометров, сделанной из полупроводникового материала германия с тонким кремниевым покрытием. Затем они удалили один электрон с низкого или более высокого энергетического уровня проволоки, создав «дырку». «Эта дырка ведёт себя подобно пузырьку воздуха», — объясняет Карбальдо.

Для такой системы несколько лет назад команда теоретических физиков под руководством профессора Даниэля Лосса из Базельского университета предсказала механизм, который может достичь невозможного: ускоренного управления и одновременно увеличенного времени когерентности. «Мы используем для этого особый вид спин-орбитальной связи», — поясняет Карбальдо.

При спин-орбитальной связи движущаяся заряженная частица (электрон или дырка) создаёт магнитное поле. Это поле, в свою очередь, «связывается» со спином частицы и влияет на её энергию через магнитное взаимодействие. Для дырок в твёрдом теле этот эффект очень силён и управляется электрически.

Всё дело в смеси

Прикладывая электрическое напряжение к нанопроволоке, исследователи из Базеля могут влиять на то, происходит ли дырка в основном с низкого или с более высокого энергетического уровня, либо из их смеси. Эта смесь критически влияет на реакцию «педали газа» для управления кубитом: при определённой пропорции возникает так называемое плато, где более сильное «нажатие» не ускоряет управление, а замедляет его.

Ещё одно следствие этого плато — флуктуации, например, из-за электрических полей в окружении, влияют на кубит гораздо меньше, чем при стандартной спин-орбитальной связи. В результате квантовые состояния меньше нарушаются, а время когерентности увеличивается.

«Таким образом, мы смогли увеличить время когерентности нашего кубита в четыре раза, одновременно ускорив управление в три раза», — говорит Карбальдо.

Он также отмечает ещё одну особенность: вместо крайне низких температур (менее 100 милликельвинов), обычно необходимых для работы кубита, можно обойтись относительно «тёплыми» 1,5 кельвина. «Это требует меньше энергии и обходится без редкого гелия-3», — добавляет он.

Пока трюк с плато работает только в нанопроволоках, созданных в Базеле, где дырки могут двигаться только в одном измерении. Однако Цумбюль и его коллеги надеются, что их метод вскоре можно будет применить к двумерным полупроводникам и другим типам кубитов. Это станет важным шагом к созданию более мощных квантовых компьютеров.

Дополнительная информация: Miguel J. Carballido et al, Compromise-free scaling of qubit speed and coherence, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62614-z

Источник: University of Basel