Новый компактный усилитель защитит кубиты от шума

Оптическая микрофотография чипа параметрического усилителя бегущей волны и преобразователя. Периодические квадратные структуры вдоль центральной линии передачи — это джозефсоновские переходы, а более крупные прямоугольные структуры — конденсаторы, образующие искусственную линию передачи. Масштаб: каждый джозефсоновский переход имеет размер примерно 2,5 мкм × 2,5 мкм. Автор: Флоран Лекок / NIST.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо разработали новое устройство, которое одновременно усиливает электромагнитные сигналы и защищает кубиты от обратного шума. Разработка, описанная в журнале Nature Electronics, может значительно упростить измерение состояний кубитов и способствовать масштабированию квантовых компьютеров на сверхпроводниках.

В квантовых компьютерах на основе сверхпроводящих материалов кубиты измеряются косвенно через так называемый резонатор считывания — схему, которая по-разному реагирует на состояние кубита. Ответы этой схемы считываются с помощью слабой электромагнитной волны, которую необходимо усилить для обнаружения.

«Такая функция важна в системах, подобных сверхпроводящим квантовым компьютерам, где вы хотите усилить сигнал, испускаемый кубитами, и в то же время защитить эти кубиты от любого обратного воздействия со стороны цепи считывания», — пояснил Максим Мальну, первый автор статьи.

Новое электронное устройство интегрирует искусственную линию передачи — схему, состоящую из сосредоточенных индуктивностей и конденсаторов. Используя джозефсоновские переходы вместо обычных индукторов, команда обеспечила нелинейность линии, что в конечном итоге позволило реализовать как усиление, так и преобразование частоты.

«Примечательно, что параметрические процессы могут быть сделаны направленными. Модулируя переходы с помощью мощных направленных микроволновых тонов, сигналы, идущие вперед, усиливаются, а сигналы, идущие назад, преобразуются в другую частоту, не позволяя им достичь чувствительных кубитов», — сказал Мальну.

В будущем новый усилитель и преобразователь может заменить громоздкие и магнитные микроволновые циркуляторы и изоляторы, используемые сегодня. Устройство совместимо со сверхпроводящими кубитами и может быть интегрировано на чипе вместе с ними.

Исследователи планируют продолжить работу над пониманием процесса измерения кубитов с помощью такого устройства, усовершенствовать дизайн устройства и изучить другие способы получения микроволновой изоляции в параметрическом усилителе бегущей волны.

Больше информации: M. Malnou et al, A travelling-wave parametric amplifier and converter, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01445-8