Физики научились превращать сверхпроводящие кубиты в фотонные

Американские физики модифицировали сверхпроводящие кубиты таким образом, что содержащуюся в них информацию можно преобразовать в набор фотонных кубитов. Благодаря этому можно будет создать "гибридные" квантовые компьютеры, которые сочетают в себе плюсы обеих технологий, пишут ученые в научном журнале Nature.

Существует несколько разных типов кубитов, созданных на основе сверхпроводников – одиночных атомов или ионов, охлажденных до сверхнизких температур, а также различных полупроводниковых конструкций и частиц света. Первые три типа ячеек памяти пока чаще всего используют при создании квантовых вычислительных приборов, так как их работой удобнее управлять, а сами кубиты такого типа совершают меньше ошибок при вычислениях.

У других типов кубитов тоже есть преимущества. К примеру, полупроводниковые кубиты не так удобны в работе, однако компьютеры на их основе будет проще увеличивать в размерах, а фотонные существуют значительно дольше, чем их сверхпроводниковые или ионные "конкуренты".

Ученые достаточно давно пытаются разработать теоретическую основу и создать технологии, благодаря которым различные типы кубитов можно будет комбинировать в одном и том же квантовом компьютере. Благодаря этому можно было бы объединить в этой машине плюсы каждой технологии, используя, к примеру, фотонные кубиты для передачи информации между узлами компьютера, а их ионные или сверхпроводящие аналоги – для проведения вычислений.

В новом исследовании американские физики под руководством профессора Калифорнийского технологического института (США) Оскара Пейнтера попытались решить эту проблему. Они создали прототип "квантового преобразователя". Это устройство представляет собой трансмон – популярный подвид сверхпроводящего кубита, который подключили к наномеханическому резонатору. Когда через такую ячейку памяти проходит ток, то подключенный к ней резонатор начинает колебаться в результате пьезоэлектрических взаимодействий между кубитом и наноструктурой.

Этот источник колебаний связан с оптическим резонатором – особой "ловушкой", внутри которой колеблется частица света. Пейнтер и его коллеги обнаружили, что этот фотон можно "запутать" с сверхпроводящим кубитом, если в определенный момент подсветить оптическую ловушку короткой вспышкой лазера.

В результате дальнейших взаимодействий между трансмоном, резонатором и ловушкой произойдет своеобразный обмен. Квантовое состояние сверхпроводящего кубита будет передано в частицу света без каких-либо изменений, а он при этом обретет то случайное состояние, в котором находился фотон в момент передачи информации.

Пока первые прототипы "квантовых преобразователей" достаточно часто ошибаются – они корректно преобразуют сверхпроводящий кубит в фотонный лишь в 57% случаев. Тем не менее ученые надеются, что их работу можно будет улучшить, если защитить оптическую часть прибора от помех, а также усовершенствовать конструкцию всего прибора в целом.

Если эту задачу удастся решить, то подобные устройства можно будет использовать для создания масштабируемых квантовых сетей, которые объединяют множество узлов связи. Их можно использовать в качестве основы для распределенных квантовых компьютеров с почти неограниченным количеством кубитов, вычислительные компоненты которых связаны друг с другом подобными сетями.