Открыт способ продлить квантовые состояния в 10000 раз

Группа ученых из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета объявила об открытии простой модификации, которая позволяет квантовым системам оставаться работоспособными — или «когерентными» — в 10 000 раз дольше, чем раньше.

Хотя ученые протестировали свою технику на определенном классе квантовых систем, называемых твердотельными кубитами, они считают, что она должна быть применима ко многим другим видам квантовых систем и, таким образом, может революционизировать квантовую коммуникацию и вычисления. Исследование было опубликовано в журнале Science.

«Этот прорыв закладывает основу для захватывающих новых направлений исследований в квантовой науке», — сказал ведущий автор исследования Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии.

«Широкая применимость этого открытия в сочетании с удивительно простой реализацией позволяет этой надежной согласованности влиять на многие аспекты квантовой инженерии. Это открывает новые возможности для исследований, которые ранее считались непрактичными».

На уровне атомов мир действует в соответствии с правилами квантовой механики, что сильно отличается от того, что мы видим вокруг нас в повседневной жизни. Эти различные правила могут быть преобразованы в такие технологии, как практически невзламываемые сети или чрезвычайно мощные компьютеры.

Однако фундаментальные инженерные проблемы остаются: квантовым компьютерам требуется чрезвычайно тихое и стабильное пространство для работы, поскольку их легко нарушить фоновой вибрацией, изменением температуры или электромагнитными полями.

Таким образом, ученые пытаются найти способы сохранить целостность системы как можно дольше. Один из распространенных подходов — физическая изоляция системы от шумного окружения, но это может быть громоздким и сложным. Другой метод заключается в том, чтобы сделать все материалы максимально чистыми, что может быть дорогостоящим. Ученые из университета в Чикаго пошли по другому пути.

«При нашем подходе мы не пытаемся устранить шум в окружающей среде; вместо этого мы обманываем систему, заставляя думать, что она не испытывает шума», — сказал Кевин Мяо, первый автор статьи.

В тандеме с обычными электромагнитными импульсами, используемыми для управления квантовыми системами, исследователи применили дополнительное непрерывное переменное магнитное поле. Точно настроив это поле, ученые могли быстро вращать спины электронов и позволить системе «отключиться» от остального шума.

«Чтобы понять принцип — это как сидеть на карусели, а вокруг вас кричат ​​люди», — объяснил Мяо. «Когда карусель неподвижна, вы их прекрасно слышите, но если вы быстро вращаетесь, шум размывается».

Это позволило системе оставаться когерентной до 22 миллисекунд, что на четыре порядка выше, чем без модификации, и намного дольше, чем любая ранее описанная электронная спиновая система. (Для сравнения, моргание глаза занимает около 350 миллисекунд).

Система способна почти полностью отключать некоторые формы температурных флуктуаций, физических колебаний и электромагнитных шумов, которые обычно разрушают квантовую когерентность.

По словам ученых, это простое решение может открыть новые возможности практически во всех областях квантовой технологии.

Хотя испытания проводились в твердотельной квантовой системе с использованием карбида кремния, ученые считают, что этот метод должен иметь аналогичные эффекты в других типах квантовых систем, таких как сверхпроводящие квантовые биты и молекулярные квантовые системы. Подобный уровень универсальности необычен для такого инженерного прорыва.

K. C. Miao et al, «Universal coherence protection in a solid-state qubit,» Science, Aug. 13, 2020. DOI: 10.1126/science.abc5186