Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 деляющий два сверхпроводника. Такой ток получил название «джозефсонов- ского тока», а само соединение сверх- проводников называется «джозефсо- новским контактом». Поскольку этот слой изолятора очень тонкий, пары электронов из одного сверхпроводника начинают туннели- ровать в другой сверхпроводник, и в данном случае туннелирование про- исходит для всего конденсата. Оказа- лось, что такая структура имеет нели- нейную индуктивность, в результате чего мы можем использовать основное состояние и ближайшее к нему возбуж- дённое состояние. Практически эти кубиты представ- ляют собой микросхемы из сверхпро- водника со специальными разрывами в несколько нанометров, обеспечива- ющими джозефсоновские переходы. Таким образом, токи сверхпроводимо- сти, возникающие в такой конструкции, в зависимости от направления форми- руют два основных состояния куби- та. Внешнее электромагнитное поле может переключать систему в одно из конечных состояний. Это очень общая и очень приближённая схема работы кубитов на базе сверхпроводников. На практике реализуются различ- ные варианты кубитов с эффектом Джозефсона, которые определяются конкретными свойствами джозефсо- новских переходов – ёмкостные или нелинейные индуктивности, разности фаз сверхпроводящих электронов и т.д. Такие структуры для кубитов формиру- ются методами фотолитографии или электронной литографии, так же как формируются, например, транзисто- ры в полупроводниках. В качестве примера на рис. 2 [14] показана конструкция одного из пер- вых квантовых процессоров, в кото- ром размещено пять сверхпроводящих кубитов Xmons в одном ряду. При этом каждый кубит связан со своим ближай- шим соседом. Кубиты, которые используются в проекте IBM Q, представляют собой высокочастотный сверхпроводящий трансмон – кубит (transmon qubit) с фиксированной частотой. Основное отличие трансмона от классического джозефсоновского зарядового кубита заключается в том, что у него энергия Джозефсона примерно в 100 раз больше энергии Кулона. Трансмон представляет собой одну из разновидностей зарядо- вого кубита, работающего на принци- пе квантования заряда куперовских пар электронов в сверхпроводнике. В трансмоне волны куперовских пар электронов, пройдя через два джозеф- соновских перехода, вызывают явление интерференции. Амплитуда интерфе- ренционного тока зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет в слу- чае трансмона изменять его квантовые уровни энергии. Квантовый процессор IBM состо- ит из «рабочих» трансмонов и «охран- ных» кубитов, объединённых между собой резонаторами и высокочастот- ными волноводами (рис. 3) [15]. В конструкции кубита используется так называемый «контейнер куперов- ских пар» (Сooper-pair box), который связан с большим резервуаром заряда через два джозефсоновских контакта, разделённых маленьким островком для накопления заряда. Система коррекции и управления внешними электромаг- нитными полями, в которых находит- ся устройство, а также использование именно двух одинаковых джозефсонов- ских переходов, позволяет надёжно кон- тролировать энергию этих переходов. Измерение состояния кубитов и управление трансмонами осуществля- ется с помощьюмикроволновых резо- наторов, которые также обеспечивают доступ к другим кубитам чипа. Рис. 2. Один из первых вариантов квантового процессора на базе крестообразных сверхпроводящих кубитов Xmon Рис. 3. Квантовый процессор IBM из 7 qubit