Перегляд вихідного коду сторінки Зарядовий кубіт

[[Файл:Cooper_pair_box_circuit.png|міні| Принципова схема схеми зарядового кубіта. Острівець (пунктирна лінія) утворений надпровідним електродом між конденсатором затвора та ємністю переходу.]]
'''Зарядовий кубіт''' — це [[кубіт]], основними [[Квантовий стан|станами]] якого є [[Електричний заряд|зарядові]] стани (тобто стани, які представляють наявність або відсутність надлишку [[Куперівська пара|куперівських пар]] на острові).<ref>{{Cite journal |last=Bouchiat |first=V. |last2=Vion |first2=D. |last3=Joyez |first3=P. |last4=Esteve |first4=D. |last5=Devoret |first5=M. H. |author-link5=M. H. Devoret |year=1998 |title=Quantum Coherence with a Single Cooper Pair |journal=Physica Scripta |publisher=IOP Publishing |volume=T76 |issue=1 |page=165-170 |bibcode=1998PhST...76..165B |doi=10.1238/physica.topical.076a00165 |issn=0031-8949 |doi-access=}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Nakamura |first=Y. |author-link=Yasunobu Nakamura |last2=Pashkin |first2=Yu. A. |last3=Tsai |first3=J. S. |author-link3=Jaw-Shen Tsai |year=1999 |title=Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box |journal=Nature |publisher=Springer Science and Business Media LLC |volume=398 |issue=6730 |pages=786–788 |arxiv=cond-mat/9904003 |bibcode=1999Natur.398..786N |doi=10.1038/19718 |issn=0028-0836}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Lehnert |first=K. W. |last2=Bladh |first2=K. |last3=Spietz |first3=L. F. |last4=Gunnarsson |first4=D. |last5=Schuster |first5=D. I. |last6=Delsing |first6=P. |last7=Schoelkopf |first7=R. J. |displayauthors=5 |date=2003-01-17 |title=Measurement of the Excited-State Lifetime of a Microelectronic Circuit |journal=Physical Review Letters |publisher=American Physical Society (APS) |volume=90 |issue=2 |page=027002 |bibcode=2003PhRvL..90b7002L |doi=10.1103/physrevlett.90.027002 |issn=0031-9007 |pmid=12570573}}</ref> У {{Li|Надпровідні квантові обчислення|Q=Q7643176|text=надпровідних квантових обчисленнях}} зарядовий кубіт<ref name=":0">{{Cite journal |last=Makhlin |first=Yuriy |last2=Schoen |first2=Gerd |last3=Shnirman |first3=Alexander |date=2001-05-08 |title=Quantum state engineering with Josephson-junction devices |journal=Reviews of Modern Physics |volume=73 |issue=2 |pages=357–400 |arxiv=cond-mat/0011269 |bibcode=2001RvMP...73..357M |doi=10.1103/RevModPhys.73.357 |issn=0034-6861}}</ref> утворюється крихітним [[Надпровідність|надпровідним]] острівцем, з’єднаним [[Ефект Джозефсона|джозефсонівським переходом]] (або, практично, {{Li|Надпровідний тунельний перехід|Q=Q3769866|text=надпровідним тунельним переходом}}) із надпровідним резервуаром (див. малюнок). Стан кубіта визначається кількістю куперівських пар, які тунелювали через з’єднання. На відміну від зарядового стану атомного або молекулярного іона, зарядові стани такого «острівця» включають макроскопічне число електронів провідності острівця. Квантова суперпозиція зарядових станів може бути досягнута шляхом налаштування напруги затвора ''U'', яка контролює хімічний потенціал острівця. Зарядовий кубіт зазвичай зчитується шляхом електростатичного з’єднання острова з надзвичайно чутливим [[Електрометр|електрометром]], таким як [[Радіочастота|радіочастотний]] [[одноелектронний транзистор]].

Типовий {{Li|Спін-спінова релаксація|Q=Q1141224|text=час когерентності T<sub>2</sub>}} для зарядового кубіта становить 1–2&nbsp;мкс.<ref name="Houck">{{Cite journal |last=Houck |first=A. A. |last2=Koch |first2=Jens |last3=Devoret |first3=M. H. |last4=Girvin |first4=S. M. |last5=Schoelkopf |first5=R. J. |date=2009-02-11 |title=Life after charge noise: recent results with transmon qubits |journal=Quantum Information Processing |volume=8 |issue=2–3 |pages=105–115 |arxiv=0812.1865 |bibcode=2009QuIP....8..105H |doi=10.1007/s11128-009-0100-6 |issn=1570-0755}}</ref> Нещодавня робота показала, що час ''T''<sub>2</sub> наближається до 100 мкс з використанням типу зарядового кубіта, відомого як [[трансмон]], всередині тривимірної надпровідної порожнини.<ref name="Paik">{{Cite journal |last=Paik |first=Hanhee |last2=Schuster |first2=D. I. |last3=Bishop |first3=Lev S. |last4=Kirchmair |first4=G. |last5=Catelani |first5=G. |last6=Sears |first6=A. P. |last7=Johnson |first7=B. R. |last8=Reagor |first8=M. J. |last9=Frunzio |first9=L. |date=2011-12-05 |title=Observation of High Coherence in Josephson Junction Qubits Measured in a Three-Dimensional Circuit QED Architecture |journal=Physical Review Letters |volume=107 |issue=24 |page=240501 |arxiv=1105.4652 |bibcode=2011PhRvL.107x0501P |doi=10.1103/physrevlett.107.240501 |issn=0031-9007 |pmid=22242979}}</ref><ref>{{Cite news|url=https://arxiv.org/abs/1202.5533|title=Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1ms|last=Rigetti|first=Chad|last2=Poletto|first2=Stefano|last3=Gambetta|first3=Jay M.|last4=Plourde|first4=B. L. T.|last5=Chow|first5=Jerry M.|last6=Corcoles|first6=A. D.|last7=Smolin|first7=John A.|last8=Merkel|first8=Seth T.|last9=Rozen|first9=J. R.|date=2012|doi=10.48550/ARXIV.1202.5533|access-date=2025-03-10}}</ref> Розуміння меж ''T''<sub>2</sub> є активною сферою досліджень у галузі {{Li|Надпровідні квантові обчислення|Q=Q7643176|text=надпровідних квантових обчислень}}.

== Виготовлення ==
Зарядові кубіти виготовляються з використанням технологій, подібних до тих, що використовуються в [[Мікроелектроніка|мікроелектроніці]]. Пристрої зазвичай виготовляються на кремнієвих або сапфірових пластинах за допомогою [[Електронна літографія|електронно-променевої літографії]] (на відміну від {{Li|Фазовий кубіт|Q=Q7180959|text=фазового кубіту}}, який використовує [[Фотолітографія|фотолітографію]]) і процесів випаровування металевої тонкої плівки. Для створення [[Ефект Джозефсона|джозефсонівських з'єднань]] зазвичай використовується техніка, відома як {{Li|тіньове випаровування|Q=Q7031672}}; це передбачає випаровування вихідного металу по черзі під двома кутами через визначену літографією маску в електронно-променевому резисті. Це призводить до двох перекриваючих шарів надпровідного металу, між якими нанесено тонкий шар ізолятора (зазвичай [[Оксид алюмінію|оксиду алюмінію]]).

== Гамільтоніан ==
Якщо джозефсонівський перехід має ємність переходу <math>C_{\rm J}</math>, і затворний конденсатор <math>C_{\rm g}</math>, то зарядна (кулонівська) енергія однієї куперівської пари дорівнює:

: <math>E_{\rm C}=e^2/2(C_{\rm g}+C_{\rm J}),</math>

Якщо <math>n</math> позначає кількість надлишкових пар Купера в острові (тобто його чистий заряд становить <math>-2ne</math> ), то гамільтоніан дорівнює:<ref name=":0">{{Cite journal |last=Makhlin |first=Yuriy |last2=Schoen |first2=Gerd |last3=Shnirman |first3=Alexander |date=2001-05-08 |title=Quantum state engineering with Josephson-junction devices |journal=Reviews of Modern Physics |volume=73 |issue=2 |pages=357–400 |arxiv=cond-mat/0011269 |bibcode=2001RvMP...73..357M |doi=10.1103/RevModPhys.73.357 |issn=0034-6861}}</ref>

: <math>H=\sum_n \big[E_{\rm C}(n-n_{\rm g})^2 |n \rangle \langle n| - \frac{1}{2} E_{\rm J} (|n \rangle \langle n+1|+|n+1 \rangle \langle n|) \big],</math>

де <math>n_{\rm g}=C_{\rm g}V_{\rm g}/(2e)</math> є контрольним параметром, відомим як ефективний компенсаційний заряд ( <math>V_{\rm g}</math> є напругою затвора), і <math>E_{\rm J}</math> джозефсонівська енергія тунельного переходу.

При низькій температурі та низькій напрузі затвора аналіз можна обмежити лише найнижчим <math>n=0</math> і <math>n=1</math> стани, і тому отримати дворівневу квантову систему (він же [[кубіт]]).

Слід зауважити, що в деяких останніх роботах<ref>{{Cite journal |last=Didier |first=Nicolas |last2=Sete |first2=Eyob A. |last3=da Silva |first3=Marcus P. |last4=Rigetti |first4=Chad |date=2018-02-23 |title=Analytical modeling of parametrically-modulated transmon qubits |journal=Physical Review A |volume=97 |issue=2 |pages=022330 |arxiv=1706.06566 |bibcode=2018PhRvA..97b2330D |doi=10.1103/PhysRevA.97.022330 |issn=2469-9926}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Schreier |first=J. A. |last2=Houck |first2=A. A. |last3=Koch |first3=Jens |last4=Schuster |first4=D. I. |last5=Johnson |first5=B. R. |last6=Chow |first6=J. M. |last7=Gambetta |first7=J. M. |last8=Majer |first8=J. |last9=Frunzio |first9=L. |date=2008-05-12 |title=Suppressing Charge Noise Decoherence in Superconducting Charge Qubits |journal=Physical Review B |volume=77 |issue=18 |pages=180502 |arxiv=0712.3581 |bibcode=2008PhRvB..77r0502S |doi=10.1103/PhysRevB.77.180502 |issn=1098-0121}}</ref> використовується інше позначення та визначається енергія заряду як енергія одного електрона:

: <math>E_{\rm C}=(2e)^2/2(C_{\rm g}+C_{\rm J}).</math>

і тоді відповідний гамільтоніан:

: <math>H=\sum_n \big[4E_{\rm C}(n-n_{\rm g})^2 |n \rangle \langle n| - \frac{1}{2} E_{\rm J} (|n \rangle \langle n+1|+|n+1 \rangle \langle n|) \big].</math>

== Переваги ==
На сьогодні найбільш успішними реалізаціями кубітів є [[Іонна пастка|іонні пастки]] та [[Ядерний магнітний резонанс|ЯМР]], а [[алгоритм Шора]] навіть реалізовано за допомогою ЯМР.<ref name=":1">{{Cite web |url=https://www.bristol.ac.uk/physics/media/theory-theses/rodrigues-da-thesis.pdf |title=Superconducting Charge Qubits |last=Rodrigues |first=Denzil Anthony |date=November 2003 |language=en |access-date=10 березня 2025}}</ref>  Однак важко уявити, що ці два методи масштабуються до сотень, тисяч або мільйонів кубітів, необхідних для створення [[Квантові обчислення|квантового комп’ютера]]. [[Фізика твердого тіла|Твердотільні]] представлення кубітів набагато легше масштабуються, але вони самі мають власну проблему: [[Квантова декогеренція|декогеренцію]]. Надпровідники, однак, мають перевагу в тому, що їх легше масштабувати, і вони більш когерентні, ніж звичайні твердотільні системи.<ref name=":1" />

== Експериментальний прогрес ==
Впровадження надпровідних зарядових кубітів швидко прогресує з 1996 року. Дизайн був теоретично описаний у 1997 році Шнірманом<ref>{{Cite journal |last=Shnirman |first=Alexander |last2=Schön |first2=Gerd |last3=Hermon |first3=Ziv |date=22 September 1997 |title=Quantum Manipulations of Small Josephson Junctions |journal=Physical Review Letters |volume=79 |issue=12 |pages=2371–2374 |arxiv=cond-mat/9706016 |bibcode=1997PhRvL..79.2371S |doi=10.1103/physrevlett.79.2371 |issn=0031-9007}}</ref> тоді як доказ квантової когерентності заряду в коробці пар Купера був опублікований у лютому 1997 року {{Li|Вінсент Бучіа|Q=Q57039591|text=Вінсентом Бучіа}} та ін.<ref>{{Cite thesis |last=[[Vincent Bouchiat]] |title=Quantum Coherence of the Charge in a single-Cooper-pair box circuit |date=21 February 1997 |degree=PhD |publisher=Paris 6 University |url=https://iramis.cea.fr/drecam/spec/Pres/Quantro/Qsite/publi/theses/VBouchiatThesis.pdf}}</ref> У 1999 році когерентні коливання в заряді Кубіта вперше спостерігали Накамура та ін.<ref>{{Cite journal |last=Nakamura |first=Yasunobu |last2=Pashkin |first2=Yu |last3=Tsai |first3=JS |date=29 April 1999 |title=Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box |journal=Nature |volume=398 |issue=6730 |pages=786–788 |arxiv=cond-mat/9904003 |bibcode=1999Natur.398..786N |doi=10.1038/19718}}</ref> Маніпулювання квантовими станами та повна реалізація зарядового кубіта спостерігалася через 2 роки.<ref>{{Cite journal |last=Vion |first=Denis |last2=Aassime |first2=A |last3=Cottet |first3=A |last4=Joyez |first4=Ph |last5=Pothier |first5=H |last6=Urbina |first6=Ch |last7=Esteve |first7=D |last8=Devoret |first8=M |date=3 May 2002 |title=Manipulating the quantum state of an electrical circuit |journal=Science |volume=296 |issue=5569 |pages=886–889 |arxiv=cond-mat/0205343 |bibcode=2002Sci...296..886V |doi=10.1126/science.1069372 |pmid=11988568}}</ref> У 2007 році в Єльському університеті {{Li|Робертом Дж. Шолкопфом|Q=Q20675687|text=Роберт Дж. Шолкопф}}, {{Li|Мішель Деворе|Q=Q26703310|text=Мішелем Деворе}}, {{Li|Стівен Гірвін|Q=Q386803|text=Стівеном М. Гірвіном}} та їхніми колегами був розроблений більш досконалий пристрій, відомий як [[трансмон]], який демонструє підвищений час когерентності завдяки зниженій чутливості до шуму заряду.

== Примітки ==
{{Reflist}}{{Квантовий комп'ютер}}
[[Категорія:Надпровідність]]
[[Категорія:Квантова електроніка]]
[[Категорія:Квантова інформатика]]