Американские ученые недавно продемонстрировали возможность одновременного считывания состояния двух связанных кубитов, которая может быть использована для создания двух-кубитного квантового логического вентиля. Это открывает дорогу к построению квантового компьютера с большим числом кубитов.

Для построения сколь-нибудь практически полезного квантового компьютера необходимо выполнение ряда требований, которые известны как критерии Ди Винченцо (DiVincenco). Во-первых, необходимо наличие возможности закодировать бит информации, используя какое-нибудь квантовое свойство физической системы, например, спин. Во-вторых, мы должны уметь привести систему в начальное состояние, когда все кубиты равны 0. Третьим условием является изолированность квантовой системы от "окружающего мира" для того, чтобы уменьшить влияние декогерентности. Далее, для возможности проводить вычисления нам нужно реализовать систему гейтов (вентилей), например, контролируя взаимодействие между отдельными кубитами с достаточной для этого точностью. Здесь важно отметить, что время операции с кубитом должно быть много меньше времени потери когерентности состояний. И, наконец, нам необходимо уметь считывать конечное состояние кубитов после окончания вычислений, чтобы получить результат. До сих пор реализовать квантовый компьютер, удовлетворяющий всем вышеперечисленным условиям, не удалось. Как правило, основными кандидатами на роль квантовых кубитов рассматриваются атомы и фотоны, изолировать которые от внешних воздействий и контролировать взаимодействие между которыми очень сложно. Вполне возможно, что построить полномасштабный квантовый компьютер удастся с использованием макроскопических кубитов, представляющих собой сверхпроводники.

Недавно была показана возможность одновременного считывания состояния двух связанных кубитов, которая может быть использована для создания двух-кубитного квантового гейта, что открывает дорогу к построению квантового компьютера с большим числом кубитов [1]. В качестве кубита был использован эффект Джозефсона при прохождении постоянного тока через трехслойную структуру ("сэндвич") Al/AlO_x/Al, два внешних слоя которой были сверхпроводящие пленки, а между ними находилась очень тонкая пленка из изолирующего материала. Само по себе использование сверхпроводников как основы квантовых компьютеров не является новой идеей, но до сих пор не удавалось измерять состояние одного из связанных кубитов, не воздействуя на всю остальную систему и не нарушая когерентности состояний.

Рис.1. Энергетические уровни джозефсоновского фазового кубита (А) и (В), и электрическая цепь двух связанных фазовых кубитов (С).

В работе [1] использовали следующую схему. Джозефсоновский кубит можно рассматривать как "атом промышленного производства", имеющий дискретный энергетический спектр в потенциальной яме. В течение проведения операции кубит находится в метастабильном потенциальном минимуме U(d > ) (см. рис.1). Измерение состояния |1> сопровождается адиабатическим понижением потенциального барьера, индуцируя туннельный переход из состояния |1> в правую потенциальную яму кубита, которая содержит около 150 энергетических состояний. В результате того, что система "сваливается" в глобальный минимум (правая потенциальная яма, рис.1B ), излучается микроволновой импульс, который оказывает влияние на переходный ток во вторичной цепи. Передача из первого кубита во вторичную цепь должна быть достаточно быстрой, т.к. время релаксации кубита порядка 100 нс. Такая операция оказыват слабое влияние на состояния кубитов и может быть произведена одновременно над двумя кубитами.

1. R. McDermott et al., Science 307 (2005) 1299.

А. Сидоренко