Американские физики показали, что ионизирующее излучение от космических лучей и радиоактивных материалов в окружающей среде может ограничить время когерентности сверхпроводящих кубитов. Исследователи показали, что радиация приводит к разрушению куперовских пар в сверхпроводнике и сокращает время жизни квантовых состояний, а радиационная защита увеличивает устойчивость системы.

В будущем борьба с ионизирующим излучением должна помочь в создании отказоустойчивых сверхпроводящих квантовых компьютеров, пишут ученые в журнале Nature.

Квантовые компьютеры потенциально могут справляться с целым рядом задач на порядки быстрее, чем даже самые мощные существующие суперкомпьютеры. В то время как обычные компьютеры основаны на простых битах, квантовые устройства состоят из связанных кубитов (квантовых битов), и именно стабильность последних — главная проблема в таких системах.

Дело в том, что квантовые состояния крайне неустойчивы и легко разрушаются, поэтому основная характеристика кубитов — это время когерентности, или же их «время жизни». Чем дольше «живут» кубиты, тем более длительные, сложные и интересные вычисления могут выполнить квантовые компьютеры.

Сами кубиты можно создавать на основе разных физических объектов, но одними из самых перспективных на сегодняшний день считаются сверхпроводящие кубиты на базе контакта Джозефсона. Такой контакт представляет собой два слоя сверхпроводящего металла, разделенные тонким слоем диэлектрика, между которыми, тем не менее, протекает ток. Происходит это из-за квантового эффекта туннелирования, в котором куперовские пары (по два спаренных электрона, которые переносят заряд в сверхпроводнике) переходят из одного слоя металла в другой сквозь диэлектрический барьер.

Время когерентности сверхпроводящих кубитов сильно зависит от концентрации рождающихся в кубите квазичастиц, которые уносят из системы энергию и приводят к ее декогеренции — потере квантового состояния. Основной источник таких квазичастиц в сверхпроводящем металле — распавшиеся куперовские пары.

Способствовать распаду последних может ионизирующее излучение: под его воздействием в металле рождаются пары электрон-дырка, которые провоцируют в сверхпроводнике каскадные процессы с вторичной ионизацией и рождением фотонов. Эти процессы и приводят к появлению квазичастиц и способствуют постепенному разрушению квантового состояния.

Антти Вепсяляйнен (Antti Vepsäläinen) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами впервые численно показал, какую именно роль играет радиация в декогеренции сверхпроводящих кубитов.