Microsoft разработала топологически защищенный кубит

Исследователи из компании Microsoft разработали метод измерения топологических кубитов и продемонстрировали его на кубите из топологического сверхпроводника. Они провели серию точных экспериментов с низким уровнем шума и смогли сузить набор возможных состояний до майорановской нулевой моды. Работа опубликована в журнале Nature.

Семь лет назад Microsoft пообещала представить первый в истории топологический кубит для защищенных квантовых вычислений, который не требует кодов коррекции и устойчив к шумам. Главная задача была непростой и состояла в поиске майорановских нулевых мод, а в работах по их поиску находились ошибки и статьи отзывали. Подробно обо всей этой истории мы писали в материале «Наплели моду».

​Для создания топологических кубитов и управления их состоянием важно уметь изменять и измерять топологический заряд, который и сигнализирует о состоянии кубита. В простейшем случае можно свести все операции к операции слияния и использовать протокол вычислений, основанный только на измерениях. Этого будет достаточно для того, чтобы осуществить любую из топологических операций.

​Среди платформ для создания топологических кубитов одной из самых перспективных считаются одномерные топологические сверхпроводники. Они представляют собой нанопроволоки из сверхпроводника, на концах которых локализованы майорановские нулевые моды, а за состояние кубита отвечает их фермионная четность. При этом измерять ее важно не за какое-то усредненное время, а с высоким временным разрешением.

​Физикам из Microsoft удалось реализовать такое временное измерение и удостовериться в том, что основной элемент для топологических квантовых вычислений работает корректно. Они добились оптимального времени измерения и низкой ошибки — порядка одного процента.

Структура, которую авторы использовали для измерений, состоит из двух частей: сверхпроводниковой нанопроволоки и полупроводниковых квантовых точек, которые образуют интерференционную петлю. Помимо сверхпроводника нанопроволока имеет управляемые затворы, которые позволяют подстраивать подаваемое напряжение. А помимо основной квантовой точки (на общей схеме она более вытянутая), в итоговом устройстве есть еще две по бокам — они тоже позволяют делать измерение и управление более точным.

Петлю, которая соединяет нанопроволоку и основную квантовую точку, пронизывает магнитный поток, управлять которым можно с помощью внешнего магнитного поля. В эксперименте ученые меняли продольную составляющую поля и следили за изменением квантовой емкости (ее значение связано со значением магнитного потока). При настройке затворов квантовой точки в состояние, близкое к резонансу, они обнаружили переключение между двумя значениями емкости — гистограмма по большому числу измерений имела бимодальный вид (состояла из двух пиков). Эти же данные позволили определить соотношение сигнал-шум (5 при усреднении за 90 микросекунд) и сравнить интервалы переключения с ожидаемыми.

​Для детального сравнения экспериментальных результатов физики смоделировали полную модель устройства с тремя квантовыми точками и учли некогерентное взаимодействие с окружающей средой. Помимо сравнения с моделью и проведения дублирующих измерений, они протестировали такое же второй устройство и показали воспроизводимость наблюдаемых величин.

Несмотря на то, что авторское измерение не позволяет однозначно различать майорановские нулевые моды от ближайших к ним состояний (низкоэнергетические состояния Андреева), оно сильно ограничивает природу состояния.

Помимо одномерных топологических сверхпроводников, новые явления обнаруживаются и в двумерных. Например, они могут обеспечить идеальное туннелирование, получаться превращением из топологического изолятора. А обнаружить сверхпроводимость можно и в материалах на основе железа.