В основе самых современных квантовых компьютеров и сверхчувствительных детекторов лежат сверхпроводящие джозефсоновские переходы, основные элементы кубитов, или квантовых битов. Как следует из названия, эти кубиты и их схемы являются очень эффективными проводниками электричества.

"Несмотря на быстрый прогресс в создании высококачественных кубитов, остается важный нерешенный вопрос: как и где происходит рассеивание тепла?" - говорит Баян Карими, научный сотрудник исследовательской группы Pico в Университете Аалто и первый автор исследования.

"Мы долгое время разрабатывали методы измерения этих потерь, основываясь на опыте нашей группы в области квантовой термодинамики", - добавляет Юкка Пекола, профессор университета Аалто, возглавляющий исследовательскую группу Pico.

Поскольку физики продолжают стремиться к созданию все более эффективных кубитов в гонке за совершенствованием технологий, связанных с квантовыми устройствами, эти новые данные позволяют исследователям лучше понять, как распадаются их кубиты. С точки зрения квантовых вычислений, кубиты с более длительным временем когерентности позволяют выполнять больше операций, что приводит к более сложным вычислениям, недостижимым в классических вычислительных средах.

Тепло в воздухе

Передача сверхтоков становится возможной благодаря эффекту Джозефсона, когда два близко расположенных сверхпроводящих материала могут поддерживать ток без приложения напряжения. В результате исследования можно проследить, что ранее неучтенные потери энергии связаны с тепловым излучением, возникающим в кубитах и распространяющимся по выводам.

Представьте себе, что кто-то греется у костра на пляже - окружающий воздух остается холодным, но человек все равно ощущает тепло, исходящее от огня. Карими говорит, что этот же тип излучения приводит к рассеянию в кубите.

Эта потеря была отмечена ранее физиками, которые проводили эксперименты на больших массивах из сотен джозефсоновских переходов, расположенных в цепи. Как и в телефонной игре, один из этих переходов, по-видимому, дестабилизирует остальные в дальнейшем.

Изначально разрабатывая свои эксперименты с таким количеством переходов в матрице, Карими, Пекола и команда начали возвращаться ко все более простым экспериментам. Их последняя экспериментальная установка: наблюдение за эффектами изменения напряжения на одном джозефсоновском переходе. Разместив сверхчувствительный поглотитель тепла рядом с этим переходом, они смогли пассивно измерять очень слабое излучение, испускаемое этим переходом при каждом фазовом переходе, в широком диапазоне частот до 100 гигагерц.

Теоретическая работа группы была выполнена в сотрудничестве с коллегами из Мадридского университета. Исследование было опубликовано в Природные нанотехнологии 22 августа.

Работа была выполнена в сотрудничестве с профессором кафедры передового опыта InstituteQ Чарльзом Маркусом из Вашингтонского университета в США и Институтом Нильса Бора в Копенгагене, Дания. При изготовлении устройств, использованных в экспериментах, использовались чистые помещения OtaNano, национальной исследовательской инфраструктуры Финляндии в области микро- и нанотехнологий. Эта работа также стала возможной благодаря Исследовательскому совету Финляндии при поддержке Центра передового опыта Quantum Technology Finland (QTF) и консорциума POW.