Физики предложили считывать состояние андреевского кубита через сверхток
Одна из главных трудностей квантовых вычислений — измерить состояние кубита так, чтобы само измерение как можно меньше это состояние нарушало. Группа физиков из Университета Сан-Паулу (Бразилия) совместно с коллегами из Пекинского технологического института предложила оригинальное решение для так называемых андреевских кубитов: считывать информацию через собственный сверхток кубита, не обращаясь к нему напрямую. В симуляциях метод показал точность до 99,85%. Статья опубликована в журнале Physical Review B (DOI: 10.1103/6gkt-hghj).
Что такое андреевский кубит и почему его трудно измерить
Андреевский кубит — особый тип квантового устройства: квантовая точка, помещённая между двумя сверхпроводниками в нанопроводе из арсенида индия (InAs). В этой системе квантовая информация хранится в так называемых андреевских связанных состояниях — парах квантовых уровней, которые возникают на границе нормального проводника и сверхпроводника. При прямом измерении суперпозиция обычно изменяется, поэтому исследователи ищут способы уменьшить воздействие считывающего устройства на кубит.
В квантовой механике взаимодействие с измерительным устройством может менять состояние системы. Именно поэтому разработка методов считывания с минимальным обратным воздействием — одна из ключевых задач квантовой инженерии.
Сверхток как носитель информации
Авторы работы — профессор Хосе Карлуш Эгеш (IFSC-USP, Сан-Карлус) и Югуй Яо (Пекинский технологический институт) — предложили использовать колебания сверхтока, возникающие при определённом квантовом состоянии рассматриваемой системы.
В суперпозиции квантовых состояний сверхток андреевского кубита колеблется, и характер этих колебаний несёт прямую информацию о состоянии кубита. Кубит включён в замкнутую сверхпроводящую цепь, а магнитное поле, создаваемое этим током, регистрирует устройство SQUID — сверхчувствительный магнитометр. По сигналу SQUID и восстанавливается квантовое состояние кубита — с минимальным обратным воздействием детектора в предложенной модели.
Ключевые особенности подхода:
- Измерение проводится косвенно — через магнитное поле тока, а не через сам кубит
- Вспомогательные кубиты (так называемые анциллы) и принудительный сброс состояния между измерениями не требуются
- Метод позволяет отслеживать динамику кубита во времени, с минимальным возмущением в модели
- Обратное воздействие измерения не исчезает, но в симуляциях сведено к пренебрежимо малым значениям
Точность в симуляции и перспектива реализации
В численных экспериментах с реалистичными параметрами шума авторы получили точность считывания 99,52%, 99,81% и 99,85% — в зависимости от числа повторных измерений. Авторы сопоставляют эти результаты с требованиями схем квантовой коррекции ошибок. Однако универсального порога точности для всех таких схем нет, а расчёт сам по себе не подтверждает работоспособность устройства.
Важная оговорка: работа полностью теоретическая. Устройство с такой конфигурацией пока не создано в лаборатории. Авторы утверждают, что использованные параметры взяты из реально существующих сверхпроводящих систем и технически реализуемы, однако экспериментальная проверка — следующий шаг. Кроме того, обратное воздействие измерения на квантовую систему не устранено принципиально — речь идёт о его минимизации, а не о нарушении фундаментальных законов квантовой механики.
Читайте также: Физики проследили, как окружение подавляет возврат квантовой интерференции.
Если метод подтвердится экспериментально, он открывает путь к более быстрым и точным квантовым процессорам на основе андреевских кубитов — архитектуры, которую ряд исследовательских групп рассматривает как перспективную альтернативу традиционным сверхпроводящим кубитам.
