Квантовые компьютеры — это физические системы, которые используют квантово-механические явления для представления и манипуляции информацией. Они могут выполнять вычисления, которые невыполнимы или требуют огромного количества времени для классических компьютеров, такие как моделирование сложных систем, криптография, оптимизация и другие. Однако для реализации квантовых компьютеров необходимо разработать квантовые биты, или кубиты — элементы, которые могут находиться в двух состояниях, например, 0 или 1, а также в их суперпозициях — линейных комбинациях этих состояний с различными амплитудами.
Одной из основных проблем при реализации кубитов является их декогерентность — потеря квантовой информации из-за взаимодействия с окружающей средой. Поэтому необходимо искать способы защиты кубитов от внешних воздействий и увеличения их времени когерентности. Существует много разных способов реализации кубитов, таких как сверхпроводящие контуры, ионы в ловушках, атомы в оптических решетках, фотоны в квантовых точках и другие. Одним из наиболее перспективных является использование твердотельных кубитов, то есть кубитов, созданных из кристаллов с примесями определенных атомов или молекул, которые имеют квантовые свойства, такие как спин, заряд или энергетический уровень.
Твердотельные кубиты имеют ряд преимуществ, таких как возможность масштабирования, интеграции с существующими технологиями, управления с помощью электрических или магнитных полей и света. Однако твердотельные кубиты также сталкиваются с серьезными трудностями, связанными с декогерентностью. Поскольку кубиты взаимодействуют с другими атомами в кристалле, они теряют свою квантовую информацию из-за тепловых флуктуаций, магнитных шумов, электрических зарядов и других факторов. Поэтому долгое время считалось, что для достижения долгой когерентности необходимо использовать сверхчистые материалы с очень низкой концентрацией примесей, которые могут служить в качестве кубитов. Однако такой подход имеет свои недостатки, такие как сложность синтеза и характеризации таких материалов, а также проблема считывания и управления кубитами, которые сильно разбавлены в кристалле.
Недавно группа исследователей из Института Пауля Шеррера PSI, ETH Цюрих и EPFL сделала удивительное открытие, которое может изменить подход к созданию твердотельных кубитов. Они показали, что в кристаллах с высокой концентрацией примесей редкоземельных элементов, таких как тербий, существуют кубиты с очень долгой когерентностью, которые не подвержены влиянию окружающей среды. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.
Как это возможно? Оказывается, что секрет кроется в том, что эти кубиты не образованы из одиночных ионов редкоземельных элементов, а из пар таких ионов, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Эти пары имеют особые квантовые состояния, которые не зависят от спина или заряда отдельных ионов, а от суперпозиций разных состояний электронной оболочки. Это означает, что эти кубиты работают на другой энергии, чем одиночные ионы, и поэтому невосприимчивы к ним. Таким образом, они изолированы от внешних воздействий и сохраняют свою квантовую информацию гораздо дольше.
Исследователи обнаружили эти парные кубиты случайно, когда исследовали кристаллы фторида иттрия и лития, легированные тербием, с помощью микроволновой спектроскопии. Они также использовали свет для управления и измерения квантовых эффектов в этих материалах, и обнаружили, что те же самые кубиты могут работать на более высоких частотах оптического лазерного света. Это интересно, потому что редкоземельные элементы имеют оптические переходы, которые позволяют легко взаимодействовать со светом. В будущем исследователи планируют использовать свет от рентгеновского Free Electron Laser SwissFEL или Swiss Light Source SLS для наблюдения за квантовой обработкой информации в этих материалах. Этот подход может быть использован для считывания всего ансамбля кубитов с помощью рентгеновского света.
Кроме того, исследователи нашли способ улучшить защиту кубитов от окружающей среды, применив магнитное поле к материалу, которое было настроено так, чтобы полностью аннулировать эффект ядерного спина тербия в парах. Это привело к немагнитным состояниям кубитов, которые были минимально чувствительны к шуму от ядерных спинов окружающих атомов «мусора».
Когда этот уровень защиты был включен, пары кубитов имели продолжительность жизни до ста раз дольше, чем одиночные ионы в том же материале.
«Если бы мы решили искать кубиты на основе пар тербия, мы бы не брали материал с таким количеством ядерных спинов», — говорит Эппли. «Это показывает, насколько мощным может быть этот подход. С правильным материалом когерентность может быть еще дольше». Вооружившись знанием этого явления, следующих шаг — оптимизация матрицы.
