Новый мировой рекорд стабильности квантового состояния

Ученые продемонстрировали, что обычно нестабильное квантовое состояние способно сохраниться при комнатной температуре в течение 39 минут, что является мировым рекордом и преодолевает ключевой барьер, препятствующий созданию сверхбыстрых квантовых компьютеров.

Международная команда, включающая Стефани Симмонс (Stephanie Simmons) из Оксфордского университета, Великобритания, сообщила об успешном эксперименте, выполненном Майком Теуолтом (Mike Thewalt) с коллегами из Университета Саймона Фрейзера, Канада.

В эксперименте команда подняла температуру системы, в которой данные кодировались в ядрах ионов атомов фосфора, добавленного в кремний, от -269 °С до 25 °С и продемонстрировала, что суперпозиция состояний выжила в этой «комфортной» температуре в течение 39 минут, в то время как предыдущий рекорд на атомах кремния составлял всего около двух секунд. Ученые также обнаружили, что они могут манипулировать кубитами даже при росте температуры системы, и что состояние было достаточно устойчивым для сохранения этих данных  в процессе охлаждения, необходимого для их считывания (оптическая техника, используемая для чтения кубитов, работает только при очень низких температурах).

«39 минут может показаться не очень длительным отрезком времени, но поскольку для опрокидывания спина ядра (тип операции, используемый для квантовых вычислений) иона фосфора необходима всего одна стотысячная доля секунды, то в теории за время естественного распада суперпозиции с вероятностью 1% может быть выполнено более 2 млн. операций. Имея такую надежность и длительность жизни, кубиты могут оказаться очень полезными для тех, кто пытается построить квантовый компьютер», - сказала Стефани Симмонс.

Команда начала с полоски кремния, легированного небольшими количествами других элементов, в том числе фосфора. Квантовая информация была закодирована в спинах ядер ионов атомов фосфора. Спинами можно манипулировать, направляя их вверх (0), вниз (1) или под другими углами между этими направлениями, представляющими суперпозицию двух других состояний.

Команда подготовила свой образец при температуре всего 4 °С выше абсолютного нуля (т. е. при -269 °C), и поместил его в магнитном поле. Дополнительные импульсы магнитного поля использовались для наклона направление спина ядра и создания состояния суперпозиции. Когда образец выдерживают при этой криогенной температуре, ядерные спины около 37% ионов – типичный тест для измерения квантовой когерентности – в течение трех часов оставался в состоянии суперпозиции. Тот же процент ионов сохранил состояние в течение 39 минут, когда температура системы была повышена до 25 °С.

«Это время жизни, по крайней мере, в десять раз больше, чем достигнутое в предыдущих экспериментах, - сказала Стефани Симмонс. - Нам удалось создать систему, которая, кажется, не имеет, в основном, никакого шума».

Однако необходимо еще некоторая работа, прежде чем команда сможет осуществлять крупномасштабные квантовые вычисления. Ядерные спины 10 миллиардов или около того ионов фосфора, используемых в этом эксперименте, были все установлены в том же квантовом состоянии. Для выполнения вычислений, однако, физики должны иметь возможность поместить различные кубиты в разные состояния. Это остается пока большой проблемой.

Художественное изображение квантового состояния связанного экситона, используемого для подготовки и считывания данных, хранящихся в виде квантовых битов