На пути к созданию квантовых компьютеров существует множество объективных препятствий, среди которых ключевые - это проблема декогеренции (т.е. потери когерентности состояния системой из-за неконтролируемого взаимодействия со средой) и проблема считывания квантовых битов (т.е. измерения квантового состояния системы, которое, как известно, меняет само измеряемое состояние). Избежать этих препятствий вообще нельзя в силу самих свойств квантовых систем, и ученые ищут пути минимизации нарушающих квантовое вычисление эффектов.

Новый способ не нарушающего считывания квантовых битов предложила группа российско-скандинавских исследователей из лаборатории низких температур Хельсинского технологического университета (ltl.tkk.fi), Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау в Москве (www.itp.ac.ru) и факультета микротехнологии и нанонауки Высшей технической школы Чалмерса в Гетеборге (Швеция, www.mc2.chalmers.se). Для этих целей предполагается использовать достаточно тонкий эффект в джозефсоновских переходах, впервые зарегистрированный ими экспериментально.

Еще будучи студентом, Брайен Джозефсон предсказал, что куперовские пары (связанные пары электронов с противонаправленными спинами) в сверхпроводящих слоях должны туннелировать через изолирующий слой без потери своих сверхпроводящих свойств. За это открытие он в 1973 году был удостоен Нобелевской премии. В настоящее время джозефсоновские переходы являются основой широкого класса электронных устройств, например, логических элементов, ячеек памяти, усилителей, а также сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов, служащих для измерения очень слабых магнитных полей.

Обычно джозефсоновские переходы проявляют свойство индуктивности. Однако в 80-е годы теоертически было предсказано, что при достаточно малых размерах они могут вести себя подобно маленьким конденсаторам. Вот именно этот эффект и зарегистрировали шведские ученые и независимо от них финнско-российская группа. В обоих случаях была применена схожая техника. Только шведская группа использовала транзисторы на куперовских парах (т.е. транзисторы, в которых исток, сток и затвор представляют собой сверхпроводники), имеющие два джозефсоновских перехода, а финнско-российская группа использовала устройство с одним таким переходом.

После помещения устройств в резонансный контур и охлаждения до температуры порядка милликельвина их облучали радиочастотным сигналом и измеряли, каким образом меняется его фаза после отражения от контура. На основе измерений было сделано заключение, что устройства вели себя подобно квантовым конденсаторам в полном соответствии с теоретическими предсказаниями.

А поскольку возбужденное состояние квантового бита характеризуется квантовой емкостью, противоположной по знаку квантовой емкости основного состояния, то они вполне могут использоваться для кодировки "1" и "0" в квантовых регистрах. Финские ученые под руководством Пертти Хаконена действительно продемонстрировали возможность измерить состояние такого кюбита без его изменения. Именно с этим обстоятельством ученые и связывают надежды на создание в будущем надежных считывающих устройств для квантовых компьютеров.

Результаты экспериментов были опубликованы в одном номере "Physical Review Letters" (Vol. 95, Art. 206806 и 206807, 11.11.2005).

Сергей САНЬКО