В Казанском (Приволжском) федеральном университете (КФУ) разработали интегрированный вакуумный датчик для аппаратного обеспечения платформы квантовых вычислений: электроны и ионы на криогенной подложке. Ученые предложили использовать спиральную вольфрамовую нить в качестве вакуумного датчика внутри камеры, а также представили оборудование и методику калибровки.
Над проектом работал коллектив в составе аспиранта Дениса Увина, научного сотрудника Михаила Черосова, инженера Максима Кузнецова, научного сотрудника Дмитрия Фролова в лаборатории «Квантовые симуляторы» под руководством доцента кафедры общей физики Института физики КФУ Руслана Батулина.
Специалисты напомнили, что за последнее десятилетие квантовые технологии достигли впечатляющего прогресса. Минувший год был объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий в честь 100-летия квантовой механики. В некоторых областях, таких как квантовые сенсоры и квантовое распределение ключей, технологии переходят из стадии лабораторных в экономический сектор.
С точки зрения практической реализации среди многих платформ для квантовых вычислений одними из самых сложных являются установки с электронами на поверхности криогенных подложек. Сильные стороны таких платформ:
- масштабируемость до 10⁷ –10⁸ кубитов на квадратный сантиметр за счет современной литографии и управления, основанного на технологии, описывающей взаимодействие света на микроволновых частотах и материи из сверхпроводящих элементов схемы, или CQED (квантовых электродинамических цепей);
- высокая квантовая когерентность (согласованность) за счет криогенной подложки при сверхнизких температурах.
«Классические установки для изучения электронов на поверхности жидкого гелия в обязательном порядке включают источник электронов. В качестве него часто используют термоэмиссионный катод на основе вольфрамовой нити накала. Его размещают в герметичной криогенной ячейке, от степени вакуума и чистоты которой напрямую зависят успех и воспроизводимость дорогостоящих экспериментов, например с использованием рефрижераторов или смесей с дорогими изотопами, такими как гелий-3, — рассказал Денис Увин. — Поскольку сборка ячейки проводится в атмосфере воздуха, перед экспериментом ее необходимо тщательно очистить и откачать до высокого вакуума. В связи с этим критически важным для стабильности опыта является контроль остаточного давления в ячейке с помощью вакуумного датчика».
Предлагаемый подход имеет ключевое отличие: ученые предложили использовать одну и ту же вольфрамовую нить накала не только в качестве источника электронов, но и в качестве чувствительного элемента для мониторинга вакуума. Статья о разработке опубликована в журнале Vacuum.
Вакуумный датчик высокоспециализирован под конкретную квантовую систему, поэтому его можно использовать при дальнейших разработках комплекса аппаратного обеспечения квантовых компьютеров.
«Разработка имеет двойной функционал и последовательно выполняет как роль источника электронов, так и функцию контроля давления на промежуточных этапах», — подчеркнул Руслан Батулин.
По словам специалистов КФУ, в области физики сверхнизких температур использование герметичных ячеек и капиллярной линии конденсации имеет первостепенное значение для проведения экспериментов с электронами и ионами на криогенных подложках.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
