День рождения Брайана Джозефсона. Кубиты и кое-что ещё…

Будущий всемирно известный ученый родился 4 января 1940 года в городе Кардифф, Великобритания. Проблемы поведения тока в сверхпроводниках привлекли его еще в студенческие времена, а теоретическое предсказание двух квантовых эффектов, за которое в 1973 году он был удостоен Нобелевской премии, он сделал в 22-летнем возрасте, будучи аспирантом в Кембридже. Сегодня эти эффекты носят имя Джозефсона. Оба эффекта проявляются при прохождении тока по сверхпроводящей цепи, в которой имеется разрыв – непроводящий участок толщиной в несколько атомов диэлектрика. Такой разрыв называется «джозефсоновский контакт» или «джозфсоновский переход».
Потрясающие возможности для создания целой гаммы измерительных приборов с невероятной чувствительностью к магнитному полю, открытые эффектами Джозефсона, получили восторженную оценку мирового научного сообщества. В 1970 году он был избран членом Лондонского королевского общества и удостоен его престижной награды – медали Хьюза. В качестве иностранного члена его приняли американский Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), а также Американская академия наук и искусств.

Докубитовая эра. Т.н. «стационарный эффект Джозефсона» заключается в самом факте прохождении постоянного тока по, казалось бы, разомкнутой цепи. Эффект объясняется квантовым туннелированием электронов проводимости (точнее, связанных неклассическим взаимодействием пар электронов, т.н. «куперовских пар») сквозь диэлектрик. 
«Нестационарный эффект Джозефсона» — это возникновение высокочастотных колебаний тока, проходящего через джозефсоновский контакт при приложении к нему разности потенциалов. Что важно: частота этих колебаний зависит только от величины приложенного напряжения, что позволило использовать этот эффект для создания чрезвычайно чувствительных измерителей напряжения и нового типа приборов – квантовых стандартов напряжения. 
На базе нестационарного эффекта Джозефсона оказалось возможным создавать не только сверхвысокочастотные генераторы электромагнитного поля, но и приемники СВЧ – на базе т.н. «джозефсоновского поглощения». 

Невероятная чувствительность обоих эффектов к наличию магнитного поля в зоне джозефсоноских контактов позволила создать еще один удивительный прибор – сверхчувствительный датчик магнитного поля СКВИД (от SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) – прибор, содержащий кольцеобразный проводник и два джозефсоновских контакта. Фактически, этот прибор представляет собой подобие оптического интерферометра, но не для волн света, а для электронов проводимости, обладающих волновыми свойствами. Он же является основой наибольшего числа известных на сегодня квантовых ячеек – кубитов.

 

Кубиты имени Джозефсона. Основой квантового процессора является квантовый элемент, способный находиться в нескольких различимых состояниях (в общем случае, таких состояний может быть бесконечно много), который получил название кубит («квантовый бит»). В качестве кубитов, вообще говоря, можно использовать любые квантовые микрочастицы, отдельные атомы и молекулы, однако проблемы с их удержанием, формированием необходимого начального квантового состояния и измерением результирующего состояния настолько велики, что первые (и даже успешные!) попытки построить квантовый процессор на этой «элементной базе» показали всю бесперспективность такого подхода. 
Стало ясно, что квантовый вычислитель нужно создавать на основе тех или иных макроскопических квантовых систем. Их тоже известно немало: сверхтекучий гелий, квантовые кристаллы, ток сверхпроводимости, есть и другие… Но, исходя из имеющихся хорошо отработанных технологий нанесения тонких пленок и фотолитографии, наиболее перспективными на сегодняшний день оказались кубиты на основе тока сверхпроводимости и квантовых эффектов Джозефсона.

В качестве джозефсоновских кубитов могут выступать как отдельные джозефсоновские контакты, так и квантовые интерферометры (СКВИДы) с двумя и более джозефсоновскими переходами. Последний вариант обеспечивает значительно более широкие схемотехнические возможности и поэтому более распространен на практике.

Оказалось, в частности, что джозефсоновские кубиты ведут себя во многом подобно отдельным атомам: способны находиться в основном и в нескольких возбужденных состояниях, обмениваться энергией при помощи излучения и поглощения фотонов и даже моделировать режимы лазерной генерации. Возникло новое научное направление – «квантовая оптика искусственных атомов», а фотон-кубитовые взаимодействия становятся основой для нового типа микросхем – микросхемы с внутренней связью на принципах квантовой телепортации. 

Первый, второй, третий… пошел! Удивительно быстрый прогресс квантовых компьютеров на основе джозефсоновских контактов не может не поражать. В феврале 2007 года компания D-Wave Systems заявила о создании первого 16-битового квантового процессора Orion (на фото внизу); 

 

в конце того же года заработала 28-кубитовая машина Leda; в мае 2011 году компанией был построен 128-кубитовый компьютер; в декабре 2012 года запушен в продажу компьютер Vesuvius, использующий 512 кубитов. Компьютеры D-Wave, надо признать, являются специализированными, построенными не на базе классической архитектуры фон Неймана. Тем интереснее, что и в области создания классических «фон неймановских» квантовых компьютеров первенство сегодня принадлежит решениям на базе джозефсоновских переходов.
В 2011 году группа Маттео Мариантони из Калифорнийского университете Санта-Барбаре впервые смогла реализовать квантовый компьютер с архитектурой фон Неймана на основе джозефсоновских кубитов. 
В феврале 2012?г. в лабораториях IBM был создан прототип коммерческого квантового компьютера на базе джозефсоновских кубитов с официально заявленной возможностью интеграции «до нескольких тысяч и даже нескольким миллионов кубитов на чипе». 

Нереспектабельный ученый. В течение последних сорока лет Брайан Джозефсон предпринимает попытки на базе позитивной научной методологии связать воедино… феномены разума и квантово-механические представления о свойствах окружающей нас материи. В Кавендишской лаборатории Кембриджского университета он до 2007 года возглавлял исследовательский проект, цель которого была в рамках теории конденсированных сред объединить категории материи и разума на единой методологической основе. 
Одно из первых его заявлений, опубликованное в 1974 году в лондонской Daily Mail, наделало много шума. Вот оно: «Мы имеем дело с новой формой энергии и стоим на пороге великих открытий в физике. Для этой силы должны быть свои законы. Я верю, что существующие методы научных исследований дадут нам возможность узнать многое о психических феноменах. Эти феномены не более таинственны, чем множество других вещей, с которыми физика уже имеет дело. В прошлом ученые уклонялись от изучения подобных вещей, и некоторые из них все еще стоят на подобной позиции. Я полагаю, что эти „респектабельные“ ученые могут упустить свой шанс». Вот так. Не более и не менее… В последующие годы Джозефсон опубликовал ряд статей в поддержку исследователей телепатии, телекинеза, телепортации, занялся продвижением работ в области холодного термоядерного синтеза и… паранормальных свойств воды, в частности, её памяти. Совместно с нейропсихологами предпринял ряд экспериментальных работ в области исследования возможности получать информацию из будущего.

Разгорелся нешуточный скандал. Высказались многие. В частности, известный британский физик, один из «отцов» квантового компьютинга, Дэвид Дойч (на фото) объявил теории Джозефсона «полным бредом». 
Его коллега Роберт Мэтьюс, впрочем, резонно заметил, что нашумевшая книга Дойча «Структура реальности» льет воду на ту же мельницу, поскольку автор в ней недвусмысленно постулирует принципы «теории всего», где в основу мироздания положены не элементарные частицы и взаимодействия, а всеобщий вычислительный и эволюционный принцип… Так или иначе, репутация Джозефсона как Нобелевского лауреата и создателя теории революционных приборов, вполне позволяет ему заниматься своими изысканиями, не сильно переживая по поводу негативных отзывов коллег.  
Для нас же существенно важно другое: приборы на основе джозефсоновских контактов явились первой и пока что единственной «элементной базой», позволившей от общих теоретических построений и лабораторных опытов перейти к реальному производству квантовых компьютеров. И чем бы ни закончился философский диспут приверженцев тех или иных теорий мироздания, заслуг Брайана Джозефсона в создании промышленной индустрии измерительной аппаратуры и компьютеров совершенно нового класса никто оспорить не сможет. С днем рождения, профессор Джозефсон!