Ученые МФТИ впервые показали считывание сверхпроводникового кубита компактным резонатором, площадь которого составляет около 200×200 мкм2, что в 10-20 раз меньше размеров повсеместно используемых для этой цели копланарных резонаторов. Этот размер соответствует стандартному размеру сверхпроводникового атома. Результат может быть использован при масштабировании сверхпроводящих квантовых схем. Результаты разработки представлены в международном научном журнале Applied Physics Letters.

Для практического использования квантовых вычислений необходимо разместить как можно больше кубитов и считывающих резонаторов на единицу площади интегральной квантовой микросхемы. Сверхпроводниковые квантовые чипы необходимо охлаждать до очень низких температур в специальных «холодильниках» — криостатах растворения, полезное пространство которых ограничено. В типичных криостатах можно разместить чип с 100-1000 кубитами и сервисными линиями, количество которых, в свою очередь, зависит от топологии микросхемы. Сотрудникам лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ удалось существенно сократить размер самых крупных элементов схемы — резонаторов, служащих для считывания состояний.

Обычно для считывания кубита используется копланарный резонатор, размер которого достигает нескольких мм и определяется длиной волны используемого для считывания сигнала. Однако, если резонатор состоит из отдельных индуктивности и емкости, то размер этих компонентов при той же частоте может быть меньше длины волны. Именно резонатор этой конструкции был изготовлен и использован для считывания кубита.

«Нам удалось добиться компактности резонаторов с помощью разработанной нами технологии плоскопараллельных конденсаторов со значительной электрической емкостью на единицу площади. Нам удалось измерить колебания вероятности атома быть обнаруженным в возбужденном состоянии в зависимости от длительности управляющего импульса, что и свидетельствует о реализации считывания», — прокомментировала один из авторов работы Юлия Зотова.

По словам авторов, альтернативные подходы предлагают использование резонаторов более сложной для расчетов формы. Их типичные размеры, однако, недостаточно малы (порядка 0.25 мм²). Технологии, связанные с формированием 3D-структур, уходящих вглубь подложки с кубитами, также могут позволить уменьшить размеры резонаторов, но очень сложны для использования в многокубитных процессорах.

Еще одним способом уменьшения размеров сверхпроводниковых квантовых систем является использование акустических резонаторов, в котором фононы взаимодействуют с кубитом. Данная работа также была выполнена в МФТИ под руководством проф. Олега Астафьева несколько лет назад. Результаты этих работ могут использоваться в дальнейшем при реализации планов по масштабированию многокубитных процессоров.

https://нау