Продлить квантовые состояния в 10000 раз открыли способ ученые

Ожидается, что простые инновации откроют множество новых возможностей для квантовой науки. Если мы сможем их использовать, произойдет скачок квантовых технологий . Но сначала ученым нужно заставить квантовые системы оставаться в напряжении дольше, чем несколько миллионных долей секунды.

О новом исследовании

Группа ученых из школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета объявила об открытии, которое 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 связь, вычисления и зондирование.

Исследование под названием «Универсальная защита когерентности в твердотельном кубите» опубликовано в журнале Science от 13 августа 2020 года. «Этот прорыв закладывает основу для новых захватывающих направлений исследований в квантовой науке», - сказал ведущий автор исследования Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии семьи Лью, старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. «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».

Немного теории

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.

Министерство энергетики США опубликовало план разработки будущего квантового интернета на мероприятии в Калифорнийском университете в Чикаго 23 июля. Однако фундаментальные инженерные проблемы остаются: квантам требуется чрезвычайно тихое, стабильное пространство для работы, поскольку их работу можно легко нарушить шумом, изменением температуры или созданием вредоносного электромагнитного поля. Таким образом, ученые пытаются найти способы сохранить целостность системы как можно дольше.

Один из распространенных подходов - физическая изоляция системы от шумного окружения, но такая система точно будет занимать много места. Другой метод заключается в том, чтобы сделать все материалы максимально чистыми, что может быть дорогостоящим. Ученые из Калифорнийского университета в Чикаго пошли по другому пути. «При таком подходе мы не пытаемся устранить шум в окрестностях; вместо этого мы «обманываем» систему, заставляя думать, что этого шума на самом деле нет», - сказал доктор Кевин Мяо, главный 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 могли быстро вращать электроны и позволить системе «отключиться» от остального шума.

Все намного проще чем кажется

«Чтобы понять принцип, представим, будто вы сидите на карусели, а вокруг вас кричат люди», - объяснил Мяо. «Когда эта карусель неподвижна, вы их прекрасно слышите, но, если вы будете быстро вращаться, шум размывается на фоне». Это небольшое изменение позволило системе оставаться когерентной до 22 миллисекунд, что на четыре порядка выше, чем без модификации, и намного дольше, чем ранее.

Система способна почти полностью отключать некоторые формы температурных флуктуаций, физических колебаний и электромагнитного шума, которые обычно разрушают квантовую когерентность. По словам ученых, это простое решение может открыть новые возможности практически во всех областях квантовой технологии.

«Такой подход открывает 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 устройств, перемещаться на большие расстояния в сетях». Хотя их испытания проводились в твердотельной квантовой системе с использованием карбида кремния, ученые считают, что этот метод должен иметь аналогичные эффекты в других типах квантовых систем. Данный уровень универсальности необычен для такого инженерного прорыва.

Как помогло новое исследование

«Есть много технологий, которые не могли реализовать, потому что ученые не могли поддерживать квантовую когерентность в течение длительных периодов времени», - сказал Мяо. «Теперь их наконец-то можно рассмотреть, поскольку у нас есть способ значительно улучшить длительность когерентности».

«Самое приятное, что это невероятно легко сделать», - добавил он. «За этим стоит сложная наука, но логистика добавления переменного магнитного поля очень проста». Авшалом работает с Польским центром предпринимательства и инноваций, чтобы коммерциализировать это открытие.

Другими учеными из Калифорнийского университета в Чикаго, участвовавшими в исследовании, были аспирант Джозеф Блэнтон, доктор наук Крис Андерсон, аспиранты Александр Бурасса и Алекс Крук, а также аргоннский ученый Гэри Вулфович. Хироши Абэ и Такеши Охшима из Национального института квантовой и радиологической науки и технологий Японии. Команда использовала ресурсы на предприятии по производству нанофабрикатов в Прицкере.