Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

News / Новости

В России впервые создан сверхпроводящий кубитFirst superconducting qubit created in Russia


2015-05-19

Ученые Российского квантового центра, МФТИ (Лаборатория искусственных квантовых систем при участии Технологического центра), МИСиС и ИФТТ РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит - основной элемент будущих квантовых компьютеров, которые смогут превзойти самые мощные современные суперкомпьютеры.

«Это важный шаг, необходимый для создания квантовых вычислительных устройств, которые в будущем произведут революцию в области вычислительной техники», – сказал генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов.

Квантовые биты или кубиты – главный составной элемент будущих квантовых компьютеров, которые работают благодаря эффектам квантовой физики. Они смогут выполнять вычисления, которые недоступны даже самым мощным современным компьютерам. Как считают ученые, квантовые компьютеры позволят совершить следующий большой скачок в области вычислений.

Элементы классических компьютеров могут хранить только один бит – 1 или 0. Кубиты – это квантовые объекты, которые могут находиться в суперпозиции двух состояний, то есть кодировать сразу логическую единицу и ноль, что создает принципиально новые возможности для обработки информации. Компьютер из нескольких тысяч кубитов может легко превзойти мощнейшие современные суперкомпьютеры в решении целого ряда вычислительных задач.

В роли кубитов могут выступать атомы или электроны, данные кодируются в их спине (магнитном моменте). Однако такие кубиты крайне неустойчивы к внешним воздействиям, их состояние легко разрушается из-за внешних «шумов», процедура считывания и записи информации на них крайне сложна, как и ловушки, которые используются для их хранения.

В начале 2000-х годов ученые обнаружили, что можно создавать «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но значительно проще в использовании. Одни из таких объектов – джозефсоновские контакты, состоящие из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут «просачиваться» (туннелировать) сквозь диэлектрик.

Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, ведут себя как атомы. Они могут находиться в основном и возбужденном состоянии, излучать и поглощать фотоны. Такие кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано современное производство микросхем.

Теперь группа ученых из Московского физико-технического института, Российского квантового центра, Национального исследовательского технологического университета МИСиС, Института физики твердого тела РАН и ряда других организаций под руководством Олега Астафьева (со стороны МФТИ), Алексея Устинова (со стороны РКЦ) и Валерия Рязанова (со стороны ИФТТ) впервые смогла создать такой сверхпроводящий кубит в российской лаборатории.

Созданные ими кубиты состоят из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон. Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров. Ученые прозондировали устройство микроволновым излучением и определили, что его свойства соответствуют заданным параметрам.

«Мы создали инструмент, средство для проведения дальнейших исследований в области квантовых вычислений. С его помощью мы сможем достичь научных результатов, которые пока не получал никто в мире», – отметил Олег Астафьев.

«Наша работа свидетельствует, что в России теперь есть технологии и команды ученых, которые могут включиться в мировую гонку построения квантовых компьютеров», – добавил Алексей Устинов.

Ранее группа под руководством Устинова в МИСиС при участии РКЦ измерила кубит, который был создан в Германии. Теперь ученые получили собственно российский кубит.

A group of researchers from MIPT’s Laboratory of Artificial Quantum Systems, the Russian Quantum Center, Moscow Institute of Steel and Alloys and the Institute of Solid State Physics have developed Russia’s first superconducting qubit – the main element of future quantum computers, anticipated to be much more powerful than modern supercomputers.

“It is an important necessary step to create quantum computing devices, which will make a revolution in computer technology,” said RQC CEO Ruslan Yunusov.

Quantum bits, or qubits, are expected to become the main elements of future quantum computers that will use the effects of quantum physics for computations that even the most powerful modern computers cannot perform. Quantum computers should help mankind make the next big leap in computing.

The elements of modern computers can store only one bit of information at a time: either 1 or 0. Qubits are quantum objects that can be in the superposition of two states, meaning they encode both 1 and 0, opening new possibilities for processing information. A computer that uses thousands of qubits could easily surpass the most powerful supercomputers in solving a great deal of computing problems.

Qubits can come in the form of atoms or electrons, with data encoded in their spins (magnetic moments). However, qubits are extremely unstable when exposed to external shocks, and their state can be easily ruined by external “noises.” Furthermore, reading/recording data on them is very complicated, and so are the “traps” that are used to store them.

In the early 2000s, scientists found it possible to obtain “artificial atoms” that follow the laws of quantum physics but are much easier to handle. One of these, known as a Josephson junction, consists of two superconductors separated by a thin dielectric layer, and, due to quantum effects, electrons can “leak” (tunnel) through the insulator.

Qubits made of several Josephson junctions act like atoms. They can be in the ground and excited state, as well as emit and absorb photons. Such qubits can be obtained with existing lithography methods, which are normally used to produce microchips.

One such qubit has been first created in Russia by the staff of MIPT’s Laboratory of Artificial Quantum Systems, headed by Professor Oleg Astafyev, and MIPT’s Collective Use Center. Contributing to the experiment were also staff of the Laboratory of Superconducting Quantum Circuits at the Russian Quantum Center, headed by Professor Alexey Ustinov and the Laboratory of Superconductivity at the Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences, led by Professor Valery Ryazanov.

Using the latest lithography equipment at MIPT, the scientists created six micron-sized qubits, each one consisting of four Josephson junctions placed on a one-micron “loop.” The junctions consist of aluminum strips separated by a dielectric layer (alumina) about 2 nanometers thick.

The qubit created by the MIPT group was then transported to the Quantum Center, where measurements were taken: the scientists probed the device with microwaves to confirm that its properties met the parameters set.

“We’ve created a tool to be used to further studies in the field of quantum computing,” said Oleg Astafyev. “It can help us achieve results no one in the world has yet achieved.”

“Our work demonstrates that Russia has the technology and teams of scientists to join the global race for creating quantum computers,” said Alexey Ustinov.

Earlier, a group at the Moscow Institute of Steel and Alloys led by Ustinov and staff from the Quantum Center measured a qubit created in Germany.



Lecture Courses | Курсы лекций