Исследователи из Университета Суррея предложили новый тип кубита, который может помочь решить одну из главных проблем квантовых вычислений — сохранение низкого уровня ошибок при увеличении масштабов систем. Концепция основана на сверхтекучем гелии, обладающем необычными квантовыми свойствами. По мнению учёных, такой кубит может быть менее чувствителен к некоторым помехам, которые влияют на современные квантовые компьютеры.
Квантовые компьютеры используют кубиты для хранения и обработки информации способами, недоступными обычным вычислительным машинам. Многие существующие системы строятся на сверхпроводящих схемах, однако они крайне восприимчивы к электромагнитным шумам и паразитным электрическим зарядам — схожим с статическим электричеством, от которого волосы прилипают к воздушному шарику. Даже малейшие возмущения способны нарушить хрупкую квантовую информацию, хранящуюся в кубите. С ростом числа кубитов контролировать ошибки становится всё сложнее, что делает масштабируемость одной из ключевых задач в этой области.
В исследовании, опубликованном в журнале npj Quantum Information, специалисты из группы квантовых наук Университета Суррея описали иной подход, построенный на сверхтекучем гелии-3 — необычной форме жидкого гелия, способной течь без трения. Предлагаемое устройство получило название Superfluid Helium Oscillator Quantum (SHOQ), то есть сверхтекучий гелиевый осцилляторный квантовый прибор. В нём предполагается использовать электрически нейтральный сверхтекучий гелий. Поскольку гелий не несёт электрического заряда, конструкция может быть естественным образом защищена от некоторых видов электромагнитных помех.
По словам исследователей, это первая описанная конструкция кубита на основе сверхтекучей среды. Их расчёты показывают, что устройство SHOQ может иметь уровень ошибок примерно в 100 раз ниже, чем у обычных сверхпроводящих кубитов. Ведущий автор работы, доктор Прия Шарма, стипендиат Дафны Джексон в области гибридных квантовых систем Школы математики и физики Университета Суррея, отметила: «Мы не первые, кто задумался об отдельных компонентах этой идеи, но мы впервые собрали их вместе в микрофлюидном устройстве и проработали конкретные детали, которые позволили бы устройству работать как кубит». Она добавила: «Математика говорит нам, что это должно работать. Мы взяли то, что уже знаем о сверхтекучем гелии и квантовых технологиях, и превратили это в обоснованную конструкцию с параметрами и спецификациями, необходимыми для её создания. Следующий шаг — сделать прототип и проверить эти предсказания».
По мнению авторов, устройство SHOQ не призвано заменить существующее оборудование для квантовых вычислений — оно может быть интегрировано со сверхпроводящими квантовыми технологиями. Это позволило бы разным типам кубитов выполнять различные задачи в одной системе, исходя из их сильных сторон. В долгосрочной перспективе SHOQ можно использовать как разновидность квантовой памяти: кубит на сверхтекучем гелии хранил бы квантовую информацию, пока другое оборудование проводит вычисления. Соавтор работы доктор Эран Гиноссар, доцент кафедры физики и Института передовых технологий Университета Суррея, сказал: «Нам не обязательно нужно, чтобы один тип кубита делал всё. Объединение разных квантовых технологий позволит использовать преимущества каждой. Сверхтекучий гелий даёт нам принципиально иной тип квантового оборудования для изучения. Если предсказанные характеристики удастся подтвердить экспериментально, он в конечном счёте сможет работать вместе с существующими сверхпроводящими технологиями в составе более крупной квантовой системы».
Теперь команда планирует создать прототип, чтобы выяснить, воспроизводится ли предсказанная производительность в реальном устройстве. Эти усилия поддерживаются стипендией IAA Commercialisation Fellowship, присуждённой доктору Прие Шарме. Устройству SHOQ потребуется работать при чрезвычайно низких температурах, однако необходимые условия уже достигались в предыдущих экспериментах со сверхтекучим гелием-3. Проект возглавил Университет Суррея в сотрудничестве с профессором Йенсом Кохом из Северо-Западного университета в США. Кох был одним из исследователей, участвовавших в разработке трансмона — конструкции сверхпроводящего кубита, которая сегодня широко применяется в квантовых вычислениях.