Найден способ сделать квантовые состояния длительнее в десять тысяч раз

Подход, разработанный американскими учеными, позволяет практически полностью изолировать квантовую систему от сторонних шумов.

Использование квантовых технологий может дать человечеству новые, фантастические по нынешним меркам возможности — например, сверхмощные компьютеры или информационные сети, недоступные для взлома. Но чтобы это случилось, ученым сперва необходимо заставить квантовые системы оставаться в нужном состоянии дольше нескольких миллионных долей секунды.

Группа ученых из Притцкеровской школы молекулярного инжиниринга Чикагского университета заявила об открытии модификации, которая позволяет удерживать квантовые системы в «работоспособном состоянии» в 10 тысяч раз дольше, чем ранее. Статья об этом опубликована в издании Science. Свою методику ученые протестировали на определенном классе квантовых систем, так называемых твердотельных кубитах, — однако уверены, что она применима и к другим типам систем.

«Этот прорыв закладывает основу для <…> новых направлений исследований в квантовой науке, — говорит ведущий автор работы Дэвид Авшалом. — Широкая применимость этого открытия в сочетании с удивительно простой реализацией позволяет <…> влиять на многие аспекты квантовой инженерии».

Хрупкость квантовых состояний — главная и фундаментальная инженерная проблема, с которой квантовые физики сталкиваются в своих изысканиях. Они легко нарушаются даже минимальными вибрациями, сторонними электромагнитными полями или температурными колебаниями. Существует два основных подхода к решению этой проблемы: физическая изоляция квантовых устройств и применение стопроцентно чистых материалов для их создания. Однако первый способ очень сложен и громоздок, а второй — слишком дорог.

Авторы новой работы пошли третьим путем. «При нашем подходе мы не пытаемся устранить шум (сторонние физические влияния на систему. — Прим. ред.) в окружающей среде; вместо этого мы «обманываем» систему, заставляя ее действовать так, что она не испытывает шума», — говорит соавтор статьи Кевин Мьяо.

В тандеме с обычными электромагнитными импульсами, используемыми для управления квантовыми системами, команда применила дополнительное непрерывное переменное магнитное поле. Благодаря тонкой настройке этого поля, ученые смогли управлять спинами электронов и «отключить» систему от внешнего шума. «Это как сидеть на карусели, когда вокруг вас кричат люди, — приводит аналогию Мьяо. — Когда конструкция неподвижна, вы всех прекрасно слышите, но если карусель быстро вращается, то фоновый шум становится размытым».

Такой подход позволил удерживать систему в нужном состоянии до 22 миллисекунд — на четыре порядка дольше, чем в системах без подобной модификации. Новая методика позволяет изолировать квантовые устройства от температурных флуктуаций, физических колебаний и электромагнитных шумов.

«Такая методика открывает путь к масштабируемости, — резюмирует Дэвид Авшалом. — Это должно сделать хранение квантовой информации в электронном спине действительно практичным. Более продолжительный период хранения даст возможность выполнять более сложные операции в квантовых компьютерах и позволит квантовой информации <…> перемещаться на большие расстояния в сетях».

Ранее мы сообщали о том, что в CERN одобрили проект строительства гигантского коллайдера длиной более 100 километров, а поведение нейтрино указало на возможное решение проблемы дефицита антиматерии во Вселенной.