Квантовые компьютеры способны выполнять некоторые вычисления экспоненциально быстрее обычных машин. Но чтобы довести технологию до практического применения, требуется огромное количество повторяющихся тестов. Считывать квантовые состояния на высокой скорости до сих пор было сложно.

Группа учёных из Университета Тохоку и Национального института материаловедения (NIMS) предложила решение. Разработан метод, позволяющий сверхчувствительно и быстро измерять заряд в квантовых устройствах на основе двумерных материалов - тонких плёнок толщиной в один или несколько атомов. Работа опубликована в журнале npj 2D Materials and Applications.

Главная трудность состояла в высоком электрическом сопротивлении таких устройств. Из-за него их не удавалось измерять на высоких частотах. Чтобы обойти ограничение, исследователи добавили в высокочастотный резонансный контур (электрическую цепь, настроенную на определённую частоту) переменный конденсатор из титаната стронция (SrTiO3).

Схема обеспечила почти идеальное согласование импедансов - настройку цепи так, чтобы сигнал передавался без потерь - с высокоомными квантовыми устройствами. Это позволило зафиксировать кулоновские осцилляции: сигналы, возникающие, когда электроны по одному входят в квантовую точку (крошечную область, удерживающую заряды) и покидают её. Система остаётся стабильной в перпендикулярном магнитном поле - обязательном условии для работы спин-долинных кубитов (квантовых битов, использующих спины и долины электронов).

По словам доцента Томохиро Оцуки из Института передовых исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR), применение переменных конденсаторов на основе титаната стронция дало почти идеальное согласование импедансов даже в перпендикулярных магнитных полях. Это открывает чувствительность к заряду, равную или превосходящую традиционные сенсоры на квантовых точках, и даёт новую платформу для высокоскоростного считывания кубитов в двумерных материалах.

Двумерные материалы, такие как двухслойный графен, считаются перспективными для создания стабильных кубитов с исключительно долгим временем когерентности - периодом, в течение которого квантовое состояние сохраняется. Однако высокое сопротивление мешало проводить точные высокочастотные измерения. Без согласования импедансов быстрое и точное считывание состояния было затруднено.

Оцука поясняет: быстрая оценка квантовых состояний необходима, но высокое сопротивление двумерных материалов мешало. Поскольку для разработки кубитов требуются массовые повторяющиеся статистические измерения, быстрый метод считывания становится важнейшим катализатором. Эта базовая технология значительно ускорит весь цикл исследований и разработок квантовых устройств на двумерных материалах.

Авторы подчёркивают: пока речь идёт о лабораторном методе, который может ускорить создание кубитов, а не о готовом квантовом компьютере. Тем не менее разработка приближает появление следующего поколения квантовых машин, способных в перспективе перевернуть медицину, логистику и кибербезопасность.

Источник: Phys.org