Физика
Оптика
Общая характеристика световых явлений.
Фотометрия и светотехника.
Основные законы геометрической оптики.
Применение отражения и преломления света для получения изображения.
Оптические системы и их погрешности.
Оптические приборы.
Интерференция света.
Дифракция света.
Физические принципы оптической голографии.
Поляризация света и поперечность световых волн.
Шкала электромагнитных волн.
Спектры и спектральные закономерности.
Действия света на вещество.
Википедия
Физика
Физика - это область естествознания, наука. Она изучает самые общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материальн... читать далее »
Статьи по Физике
10.07.2013 18:25

О российских кубитах и перспективах их использования. Физика.

О российских кубитах и перспективах их использования
1 июля 2013 года стало известно, что ученые из Российского квантового центра (РКЦ) и Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС впервые в России измерили кубит. 

Работа была выполнена под руководством профессора, члена научного совета РКЦ Алексея Устинова. Что такое кубит? Как он выглядит, из чего сделан? Наконец, как этот самый кубит можно измерить и для чего он может пригодиться? На эти и многие другие вопросы  ответил сам профессор Устинов.

Что такое кубит?

― Кубит ― это аналог классического носителя информации, известного как обычный бит в компьютерах. Это (классический бит) некая логическая единица, которая может принимать два значения, скажем: ноль и единичка. Их можно реализовывать при помощи транзисторов, которые могут переключаться между состояниями с разным напряжением ― разному уровню напряжения можно присвоить значения ноль и единичка. Так работает обычный компьютер.

Кубит отличается от бита тем, что он представляет собой фактически не два отдельных состояния, а два состояния, которые как бы перекрываются. Причем перекрываются в разной пропорции, то есть количество состояний кубита бесконечно, и его можно записать как сумму состояний «ноль» и «один» с разными коэффициентами (которые, вообще говоря, комплексные числа) таким образом, что сумма квадратов модулей коэффициентов равняется единичке. Ну, вот эти кубиты, они как бы реализуются в виде совершенно разных объектов ― атомов, ионов, фотонов, спинов атомов и прочего.

― Какова физическая реализация кубита у вас?

― Наши кубиты реализованы в виде напыленного на полупроводниковую подложку тонкого металлического (у нас алюминиевого) плоского кольца. И в это кольцо в качестве разрывов ― очень маленьких ― вставлены объекты, называемые джозефсоновскими переходами. Такие переходы ― базовый элемент сверхпроводящей электроники. По сути, они представляют собой разрыв в кольце, расстояние между берегами которого составляет несколько нанометров. Берега разделены прослойкой диэлектрика, в нашем случае просто оксидом алюминия. Главное свойство этих переходов заключается в том, что из-за явления туннелирования через эти разрывы протекает сверхпроводящий ток. Это явление было предсказано 50 лет назад Брайаном Джозефсоном.

preview_1.jpg
Рис. 1. Валерий Рязанов и Алексей
Устинов в Лаборатории сверхпроводящих
метаматериалов МИСиС.

― Если мы говорим о сверхпроводимости, то до каких температур охлажден кубит?

― Десятки милликельвин.

― Как достигаются такие низкие температуры?

― Это довольно стандартная технология. Для охлаждения объекта до нескольких кельвин подходит обычный жидкий гелий. Чтобы охладить до десятых кельвина, приходится использовать один изотоп гелия ― гелий-3. Именно он позволяет получать еще более низкие температуры при атмосферном давлении. Речь идет о температурах порядка десятых долей кельвина. Наконец, чтобы опуститься еще ниже, требуется специальная смесь изотопов гелия-3 и гелия-4.

Сейчас вся эта технология довольно хорошо развита ― есть специальные холодильники, работающие на такой смеси, есть поставщики смеси. В общем, такие низкие температуры можно получать, просто включив прибор в розетку. Один такой, работающий на смеси, есть у нас в лаборатории в МИСиСе (в лаборатории сверхпроводящих метаматериалов ― прим. «Ленты.ру»). Там же есть еще один, работающий на гелии-4.

― Что в вашем кубите играет роль нулей и единиц, то есть двух основных состояний?

― В нашем кольце (кубит, напомним, реализован как кольцо на полупроводниковой подложке) при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния. Они равновероятностные потому, что имеют одинаковую энергию (то есть ни одно из состояний не является более выгодным энергетически для всей системы, чем другое). Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки соответственно. Это и есть ноль и единица.

При достаточно низкой температуре между этими состояниями возможно туннелирование (здесь это следует понимать как спонтанный переход одного состояния в другое с некоторой вероятностью ― прим. «Ленты.ру»), поэтому фактически они существуют одновременно. Физики говорят, что в кубите возникает суперпозиция этих двух состояний.

― В чем заключается достижение вашей лаборатории?

― Достижение здесь пока, конечно, местного значения, работа только начинается. Как говорил один наш коллега в Черноголовке ― «впервые в Азии, не считая Японии». Схема кубита, которую мы использовали, была предложена еще 13 лет назад, а первый работающий вариант появился лет 10–11 назад. Сейчас ими занимается достаточно много лабораторий в мире ― измерять свойства кубитов может около десятка коллективов, включая мой в Карлсруэ, в Германии.

В данном случае достижением является то, что такой кубит был впервые померян в России. И трудности здесь состоят как в возможности получения низкой температуры, так и в том, что для проведения эксперимента необходимо сделать довольно большой набор непростых действий, чтобы экранировать кубит от влияния внешних паразитных магнитных полей (чтобы мерить при помощи специальных микроволновых устройств).

― Считывание обычного бита ― это в целом понятно. Ноль ― единичка. В кубите же суперпозиция состояний. Что значит «мерить кубит»?

― Опять-таки, измерение кубита можно делать по-разному, точного значения у этого термина нет. Мы реализовали одну из таких возможностей ― так называемое слаборазрушающее измерение. Итак, у нас есть два состояния ― ноль и единица, соответствующие току, текущему в разные стороны. Если мы теперь немного изменим внешнее магнитное поле, то одно из этих состояний станет более выгодным. Оказывается, что такое небольшое смещение вызывает изменение параметра кольца, называемого индуктивностью ― это фактически та самая индуктивность из школы, которая про катушку. В квантовом случае индуктивность определяется током, протекающим через джозефсоновский переход, поэтому ведет себя как так называемая параметрическая индуктивность. «Параметрическая» в названии означает, что она меняется под действием тока.

Это изменение мы и регистрируем. Для этого на частоте порядка 10 гигагерц мы посылаем к кубиту электромагнитный сигнал. При прохождении через образец у этого сигнала сдвигается фаза. Этот сдвиг вызывает изменение состояния кубита, которое влияет на индуктивность некоторой измерительной цепи, находящейся рядом с кубитом. Это изменение мы уже можем зарегистрировать ― у нас стоит холодный (то есть при низкой температуре) усилитель. Усиленный сигнал при этом по кабелю поступает в прибор, который позволяет уже при комнатной температуре мерить фазу сигнала.



© WIKI.RU, 2008–2017 г. Все права защищены.