Ett ryskt-tyskt forskarlag har skapat en kvantsensor som ger tillgång till mätning och manipulering av individuella tvånivådefekter i qubits. Studien av NUST MISIS, Russian Quantum Center och Karlsruhe Institute of Technology, publiceras i npj Kvantinformation , kan bana väg för kvantberäkning.

Vid kvantberäkning kodas informationen i kvantbitar. Qubits (eller kvantbitar), den kvantmekaniska analogen till en klassisk bit, är sammanhängande system på två nivåer. En ledande qubit -modalitet idag är supraledande qubits baserade på Josephson -korsningen. Det är den typ av qubit som IBM och Google använder i sina kvantprocessorer. Dock, forskare letar fortfarande efter den perfekta qubiten - en som kan mätas och kontrolleras exakt, samtidigt som den förblir opåverkad av sin omgivning.

Nyckelelementet i en supraledande qubit är nanoskalan supraledare-isolator-supraledare Josephson-övergången. En Josephson-korsning är en tunnelövergång gjord av två stycken supraledande metall åtskilda av en mycket tunn isolerande barriär. Den vanligaste isolatorn är aluminiumoxid.

Moderna tekniker tillåter inte att bygga en qubit med 100% precision, vilket resulterar i så kallade tunnelingsdefekter på två nivåer som begränsar prestandan hos supraledande kvantenheter och orsakar beräkningsfel. Dessa defekter bidrar till en qubits extremt korta livslängd, eller dekoherens.

Tunneldefekter i aluminiumoxid och på ytor av supraledare är en viktig källa till fluktuationer och energiförluster i supraledande qubits, slutligen begränsa datorns körtid. Ju fler materialfel uppstår, ju mer de påverkar qubitens prestanda, orsakar fler beräkningsfel, konstaterade forskarna.

Den nya kvantsensorn ger tillgång till mätning och manipulering av individuella tvånivådefekter i kvantsystem. Enligt prof. Alexey Ustinov, Chef för Laboratory for Superconducting Metamaterials på NUST MISIS och gruppchef på Russian Quantum Center, som var medförfattare till studien, själva sensorn är en supraledande qubit, och det tillåter upptäckt och manipulering av individuella defekter. Traditionella tekniker för att studera materialstruktur, såsom småvinklar röntgenspridning (SAXS), inte är tillräckligt känsliga för att upptäcka små individuella defekter, Därför hjälper det inte att använda dessa tekniker för att bygga den bästa qubiten. Studien kan öppna vägar för kvantmaterialspektroskopi för att undersöka strukturen av tunneldefekter och för att utveckla lågförlustdielektrika som är akut nödvändiga för att utveckla supraledande kvantdatorer, tror forskarna.