«Апостериори»: Сверхпроводящие кубиты оказались гораздо менее стабильными, чем считалось ранее

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Сверхпроводящие кубиты – один из основных кандидатов для создания квантовых компьютеров. Это искусственные квантовые системы, в которых информация кодируется в состояниях микроскопических электрических цепей, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Одной из ключевых характеристик таких систем является так называемое время релаксации. Оно показывает, как долго кубит может сохранять возбуждённое состояние, прежде чем вернётся в исходное. Именно этот параметр во многом определяет точность квантовых вычислений.

Известно, что время релаксации может меняться. Обычно такие изменения удаётся измерять с временным разрешением в секунды или даже минуты. Для этого кубит переводят в возбуждённое состояние, затем ждут заданное время и проверяют, остался ли он в нём. Повторяя такие измерения для разных задержек и усредняя результат, исследователи восстанавливают экспоненциальное затухание сигнала и определяют время релаксации. Однако такой подход требует большого числа повторений и занимает значительное время. Если параметры кубита меняются быстрее, чем длится измерение, эти изменения просто усредняются и остаются незаметными.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, учёные предложили новый метод, позволяющий отслеживать эти изменения почти в реальном времени. Авторы работы использовали программируемый контроллер на базе FPGA и байесовский алгоритм, который адаптивно подбирает параметры измерения на основе предыдущих результатов. Это позволило сократить время оценки примерно в сто раз – до нескольких миллисекунд. С помощью этого метода исследователи обнаружили, что время жизни кубита может меняться почти на порядок всего за десятки миллисекунд. Ранее считалось, что подобные изменения происходят значительно медленнее – на масштабах минут или часов.

По мнению авторов, такие быстрые флуктуации связаны с так называемыми двухуровневыми дефектами в материале. Это микроскопические структуры – атомы или группы атомов, имеющих две почти равновероятные энергетические конфигурации. Благодаря этому такие структуры случайным образом переходят из одного состояния в другое. Когда такой дефект взаимодействует с кубитом, он может существенно изменить время релаксации.

Анализ показал, что некоторые из этих дефектов меняют своё состояние с частотой до 10 раз в секунду – это на несколько порядков быстрее, чем предполагалось ранее. При этом наблюдаемые изменения имеют характер так называемого телеграфного шума: система как будто перескакивает между несколькими устойчивыми состояниями.

Новые результаты важны не только для понимания физики квантовых устройств, но и для их практического использования. В современных квантовых процессорах именно наименее стабильные кубиты часто ограничивают общую точность вычислений. Если их параметры могут так быстро меняться, это означает, что традиционные методы калибровки – раз в несколько часов – могут быть недостаточны.

Авторы работы предлагают альтернативный подход: отслеживать состояние кубитов в реальном времени и выполнять вычисления только тогда, когда их параметры находятся в оптимальном диапазоне. Это может повысить надёжность квантовых алгоритмов.

Новые данные не означают, что все источники ошибок в квантовых компьютерах связаны именно с такими дефектами. Однако они показывают, что динамика этих систем значительно сложнее, чем считалось ранее. В дальнейшем исследователи планируют использовать разработанный метод для изучения других типов шумов и взаимодействий в квантовых устройствах.

Работа также открывает возможность более быстрой диагностики и оптимизации квантовых процессоров. Если раньше на сбор статистики уходили часы, теперь аналогичную информацию можно получить за секунды. Это может существенно ускорить разработку более стабильных и масштабируемых квантовых систем.