Группа ученых объявила об открытии простой модификации, которая позволяет квантовым системам оставаться работоспособными в 10 000 раз дольше, чем раньше.
Простая инновация, как ожидается, откроет множество новых путей для квантовой науки.
Если мы сможем использовать его, квантовая технология обещает фантастические новые возможности. Но для начала ученым нужно уговорить квантовые системы оставаться на привязи дольше, чем несколько миллионных долей секунды.
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 проверили свою технику на конкретном 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 связь, вычисления и зондирование.
Исследование было опубликовано 13 августа 2020 года в журнале Science.
“Этот прорыв закладывает основу для захватывающих новых направлений исследований в квантовой науке”, – сказал ведущий автор исследования Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии семьи Лью, старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и директор Чикагской квантовой биржи. “Широкая применимость этого открытия в сочетании с удивительно простой реализацией позволяет этой надежной когерентности влиять на многие аспекты квантовой инженерии. Это открывает новые исследовательские возможности, ранее считавшиеся непрактичными.”
Внизу, на уровне атомов, мир функционирует по законам квантовой механики-совсем не так, как мы видим вокруг себя в повседневной жизни. Эти различные правила могли бы воплотиться в технологии, такие как практически не поддающиеся взлому сети или чрезвычайно мощные компьютеры; Министерство энергетики США опубликовало проект будущего квантового интернета на мероприятии в Учикаго 23 июля. Но фундаментальные инженерные проблемы остаются: квантовые состояния нуждаются в чрезвычайно Тихом, стабильном пространстве для работы, поскольку они легко нарушаются фоновым шумом, исходящим от вибраций, изменений температуры или случайных электромагнитных полей.
Таким образом, ученые пытаются найти способы сохранить целостность системы как можно дольше. Одним из распространенных подходов является 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 Учикаго выбрали другую тактику.
“При таком подходе мы не пытаемся устранить шум в окружающей среде; вместо этого мы “обманываем” систему, заставляя ее думать, что она не испытывает шума”, – сказал постдокторский исследователь Кевин Мяо, первый автор статьи.
В тандеме с обычными электромагнитными импульсами, используемыми для управления квантовыми системами, команда применила дополнительное непрерывное переменное магнитное поле. Точно настроив это поле, ученые смогли быстро вращать спины электронов и позволить системе “отключиться” от остального шума.
“Чтобы понять принцип, это все равно что сидеть на карусели, когда вокруг тебя орут люди,-объяснила Мяо. “Когда машина стоит неподвижно, вы можете слышать их прекрасно, но если вы быстро вращаетесь, шум размывается на заднем плане.”
Это небольшое изменение 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 колебаний, физических вибраций и электромагнитных помех, которые обычно разрушают квантовую когерентность.
Простое исправление может открыть открытия практически во всех областях квантовой технологии, сказали ученые.
“Этот подход создает путь к масштабируемости”, – сказал Авшалом. “Это должно сделать хранение квантовой информации в электронном спине практичным. Увеличенное время хранения позволит выполнять более сложные операции в квантовых компьютерах и позволит квантовой информации, передаваемой от спиновых устройств, перемещаться на большие расстояния в сетях.”
“При таком подходе мы не пытаемся устранить шум в окружающей среде; вместо этого мы “обманываем” систему, заставляя ее думать, что она не испытывает шума.
— Кевин Мяо, аспирант-исследователь
Хотя их испытания проводились в твердотельной квантовой системе с использованием карбида кремния, ученые полагают, что этот метод должен иметь аналогичные эффекты в других типах квантовых систем, таких как сверхпроводящие квантовые биты и молекулярные квантовые системы. Такой уровень универсальности необычен для такого инженерного прорыва.
”Есть много кандидатов на квантовую технологию, которые были отодвинуты в сторону, потому что они не могли поддерживать квантовую когерентность в течение длительного периода времени”, – сказал Мяо.” Теперь, когда у нас есть этот способ значительно улучшить согласованность, они могут быть пересмотрены.
“Самое приятное, что это невероятно легко сделать”, – добавил он. “Наука, стоящая за этим, сложна, но логистика добавления переменного магнитного поля очень проста.”
Другими учеными Учикаго, участвовавшими в исследовании, были аспирант Джозеф Блантон, аспирант Крис Андерсон, аспиранты Александр Бурасса и Алекс Крук, а также Аргоннский ученый Гэри Вулфович. Хироси Абэ и Такеши Охсима из японского Национального Института квантовой и радиологической науки и техники также были соавторами. Команда использовала ресурсы на Нанофабрике Притцкера. Команда работает с польским центром предпринимательства и инноваций, чтобы коммерциализировать это открытие.
Ссылка: “универсальная защита когерентности в твердотельном кубите” Кевина С. Мяо, Джозефа П. Блантона, Кристофера П. Андерсона, Александра Бурассы, Александра Л. Крука, Гэри Вулфовича, Хироси Абэ, Такеши Охсимы и Дэвида Д. Авшалома, 13 августа 2020 года, Science.
DOI: 10.1126 / science.abc5186
Финансирование: DARPA, управление научных исследований ВВС, Управление военно-морских исследований, Национальный научный фонд, японское общество содействия науке.
Чикагский университет
Автор: Луиза Лернер, Чикагский университет 14 августа 2020 года
