Международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС» и Технологического института Карлсруэ (Германия) нашел способ повысить надежность квантовых систем при помощи простого в изготовлении материала — гранулированного алюминия. Материал продемонстрировал отличные шумозащитные свойства для сверхпроводящих кубитов. О технологии, которая открывает перспективы создания нового поколения сверхпроводящих устройств, опубликована статья в Nature Materials.
Сверхпроводники являются одним из наиболее эффективных и перспективных материалов для обеспечения работы новейших квантовых цепей, где низкое активное сопротивление постоянному электрическому току критически важно для сохранения квантовых свойств и производительности системы. Но низкое активное сопротивление выливается в низкое сопротивление переменному току (низкий импеданс), из-за чего кубиты (квантовые биты), включенные в одну цепь с такими сверхпроводниками, на высоких частотах становятся чувствительны к различным электромагнитным «шумам» извне.
Международный исследовательский коллектив, состоящий из ученых НИТУ «МИСиС» и Технологического института Карлсруэ (Германия) нашел сравнительно простой способ защитить сверхпроводящие кубиты от шума. Для этого они добавили в цепь так называемый супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току.
В качестве материала для супериндуктора были взяты пленки гранулированного алюминия (grAl) — сверхпроводящего материала, содержащего смесь чистых наноразмерных зерен алюминия и аморфного оксида алюминия. Сам материал был известен как сверхпроводник еще с середины XX века, однако до недавнего времени его поведение в высокочастотных диапазонах (как раз в таких и работают квантовые системы) не изучалось.
«В своем эксперименте мы включили пленки grAl как в сам кубит, так и в резонатор — элемент цепи, „считывающий“ состояние кубита. Благодаря тому, что в кубите изначально присутствует алюминий (в так называемых джозефсоновских контактах), изготовить цепь вместе с супериндукторами удалось за один технологический проход», — рассказывает Алексей Устинов, один из авторов исследования, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», руководитель группы Российского квантового центра, профессор Технологического института Карлсруэ.
Такая упрощенная система изготовления цепи дает существенное преимущество по сравнению с более ранними супериндукторами, которые изготавливались из множества сверхпроводящих элементов с более низким сопротивлением переменному току. Для достижения высокого комплексного сопротивления эти сверхпроводящие элементы приходилось объединять в большие массивы, что существенно «утяжеляло» архитектуру квантовой цепи.
Благодаря использованию в качестве супериндуктора гранулированного алюминия, удалось защитить сверхпроводящий кубит от шума и помех, не «затормозив» при этом его работу (не нарушив квантовую когерентность). Как поясняют ученые, разработка открывает возможности для проектирования широкого ряда новых и более эффективных квантовых систем: от защищенных цепей обработки информации до фотонных детекторов для космической отрасли.
