Трансмонный кубит достиг миллисекундной когерентности

Физики из Финляндии изготовили четыре трансмонных кубита из напыленной в особо чистых условиях пленки ниобия и достигли медианного значения времени термальной релаксации в 425 микросекунд, а времени дефазировки – около 541 микросекунды. Наибольшее значение T₁ составило 765 ± 0,083 микросекунд, а для T₂ около 1057 микросекунд. Предложенная методика изготовления и экспериментальной проверки подходит для других типов сверхпроводящих кубитов, существенно улучшая их время когерентности. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

Когерентность — одно из самых важных свойств кубитов: чем выше время когерентности, тем больше полезных операций можно сделать с помощью квантовых вентилей. Чаще всего этот параметр описывают двумя числами — T₁ и T₂. Первое — время термальной релаксации, то есть время, за которое кубит потеряет свою энергию и «свалится» в основное состояние (обычно это |0⟩). Второе – время дефазировки, или период, в течение которого исчезнет информация о фазе кубита. Подробнее о когерентности и ее свойствах можно прочесть в нашем материале «Квантовая азбука: “Когерентность”».

Разумеется, физики постоянно ищут и находят новые методы, чтобы увеличить время когерентности в квантовых устройствах. При этом для каждого типа кубита требуется особый подход. Например, с помощью активного подавления шума в магнитном поле исследователи повысили время когерентности молекулярных кубитов с десяти до ста миллисекунд.

Физики из Финляндии под руководством Микко Туоккола (Mikko Tuokkola) из Университета Аалто увеличили время термальной релаксации трансмонного кубита до медианного значения в 425 микросекунд (предыдущий рекорд других авторов составил 400 микросекунд), а время дефазировки до 541 микросекунд (максимальное значение в прошлых работах зарегистрировали на уровне 307 микросекунд).

Для своего исследования физики выбрали активно развивающуюся архитектуру на трансмонных кубитах. Работа таких кубитов основана на эффекте Джозефсона, но с добавлением шунтирующего конденсатора, снижающего зарядовый шум в системе. Ученые изготовили образец из четырех кубитов, каждый из которых связали с копланарным волноводом для считывания. Первый и третий модуль устройства физики сделали настраиваемым с помощью сверхпроводящего квантового интерференционного устройства, а второй и четвертый оставили на фиксированной частоте. Чтобы время когерентности превзошло достижения предыдущих исследователей, авторы работы уделили пристальное внимание химическому сухому травлению ниобия в особо чистых условиях.

Благодаря этому физики добились рекордных результатов: например, максимальное время T₁ второго кубита оказалось 765 ± 0,083 микросекунд, а время T₂ около 1057 ± 0,138 микросекунд (медианные значения составили 502 и 541 микросекунд, соответственно). То есть при соблюдении всех особенностей время когерентности трансмонного кубита перешагнуло отметку в одну миллисекунду. Оставшиеся три модуля также продемонстрировали очень высокие значения для времени термальной релаксации и дефазировки.

Авторы работы отметили, что во время повторного испытания времена T₁ и T₂ существенно снизились из-за перераспределения тепловых флуктуаций в окружающей среде и окисления поверхности образца. Также исследователи подчеркнули, что предложенная ими методика изготовления и экспериментальной проверки может быть применена к другим типам сверхпроводящих кубитов (например, унимонным).

О том, как российские физики объединили флаксониумы и трансмон в трехкубитный вентиль, мы писали ранее.