Создание компьютеров c «котами Шредингера» внутри оказалось реальным

Ученые Школы молекулярной инженерии имени Притцкера при Чикагском университете (США) нашли способ в 10 тысяч раз продлить время существования квантовых состояний, необходимых для работоспособного квантового компьютера. По мнению физиков, исследование совершит революцию в области квантовых вычислений и коммуникаций. Статья с результатами работы опубликована в журнале Science, кратко об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.

С помощью нового подхода специалистам удалось поддерживать систему электронных спинов в когерентном состоянии до рекордных 22 миллисекунд. Это на четыре порядка выше, чем без модификации, и намного дольше, чем у любой другой ранее описанной системы электронных спинов. По словам ученых, это позволит увеличить время хранения информации внутри системы из кубитов, совершать более сложные операции в квантовых компьютерах и передавать информацию на большое расстояние в сетях.

Декогеренция представляет собой нежелательное явление, препятствующее физической реализации кубитов (квантовых битов). В квантовых технологиях кубиты могут быть основаны на спине электронов, который может быть ориентирован «вверх» или «вниз». Важную роль для квантовых вычислений играет когерентная суперпозиция, когда кубит находится в состоянии «вверх» и «вниз» одновременно, что делает его похожим на кота Шредингера в знаменитом мысленном эксперименте. Это позволяет кубиту содержать больше информации, чем может вмещать классический бит, способный принимать лишь одно из состояний — «0» или «1».

Для создания твердотельных кубитов используются кристаллы карбида кремния и алмазы. Состоянием электронов управляют с помощью внешних электромагнитных полей, однако именно в них возникает «шум», способствующей декогеренции и разрушению кубита. Кристалл может содержать парамагнитные примеси и изотопы с ненулевым ядерным спином, порождающие флуктуации во внешнем электромагнитном поле, которые, в свою очередь, серьезно ограничивают время существования когеренции до микросекунд. Для существования работоспособной квантовой системы, которая может хранить информацию и позволяет манипулировать ею, кубит должен находиться в когерентной суперпозиции хотя бы несколько десятков миллисекунд.

Для борьбы с декогеренцией ученые пытаются изолировать квантовую систему от шума или создать чистые кристаллы, однако эти методы сложные и дорогостоящие. В новой работе исследователи вместе с обычными электромагнитными импульсами применили источник непрерывного переменного магнитного поля. С помощью микроволн удалось добиться быстрых спиновых переходов, устойчивых к внешним возмущениям.

Ученые полагают, что их метод применим и в других типах квантовых систем, таких как сверхпроводящие квантовые биты и молекулярные квантовые системы.