Благодаря управляемым вибрациям, возникающим внутри атомного ядра, исследователи нашли способ использовать его для сохранения квантовой информации. В такой среде кубиты оказываются надёжно изолированы от внешних воздействий, которые обычно приводят к декогеренции и потере данных.
Именно эти внешние помехи, проявляющиеся как квантовый шум, являются главным препятствием для развития квантовых технологий. Новый подход к хранению данных призван полностью устранить эту проблему. Такие хорошо защищённые кубиты идеально подходят для применения в области квантовых вычислений и криптографии, где стабильность информации критически важна, подобно тому, как надёжная эксплуатация автомобиля в сложных условиях требует устойчивости к внешним факторам.
О последних достижениях в этой области сообщило издание Nature Communications. В состав исследовательской группы вошли представители Делфтского технологического университета, которые провели эксперимент с использованием единичного атома титана. Целью работы была проверка принципиальной возможности записи и считывания квантовой информации из атомного ядра (ядерного спина).
Ядро атома как носитель квантовой информации
Учёные из Делфта экспериментально доказали, что ядро отдельного атома может служить эффективным и защищённым от помех хранилищем для квантовых состояний.
Безусловно, контролируемое воздействие на объект столь малого размера представляло собой колоссальную инженерную задачу. Однако успех нидерландских исследователей продемонстрировал, что это вполне реализуемо, открывая широкие перспективы для практических приложений.
Ключевая идея заключается в том, что спиновое состояние ядра, то есть направление его собственного вращательного момента, может быть использовано для представления и хранения квантовой информации. Данные, в частности, могут кодироваться в ориентации спина в конкретный момент времени.
На теоретическом уровне это выглядит элегантно и не кажется невыполнимым. К сожалению, практическая реализация сталкивается с серьёзными трудностями. Основная проблема заключалась в том, что использование ядерного спина для хранения усложняет как запись, так и считывание информации, а также управление кубитами.
Сложности возникают из-за малого размера ядра и его сильной зависимости от окружения — воздействия соседних частиц и их спинов. Одним из ярких примеров является влияние электронного спина на спиновое состояние ядра. Авторы нового исследования нашли способ использовать эту естественную связь для надёжного считывания квантовой информации.
В ходе экспериментов они выяснили, что для достижения цели необходимо синхронизировать спин электрона с ядерным спином, а затем — что самое важное — разрушить состояние электронного спина, инициировав контролируемые вибрационные процессы (фононы) внутри атома.
Хотя длительность этих вибраций составляет лишь доли микросекунды, этого временного интервала оказалось достаточно для решения поставленной задачи. Следующим этапом стало использование иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Благодаря этому инструменту участники группы смогли точно прочитать сохранённое в ядре состояние.
Крайне важно, что учёные подтвердили отсутствие потерь квантовой информации в процессе такого хранения. Иными словами, данные остались полностью сохранными и защищёнными. Таким образом, ядро единичного атома может рассматриваться как эффективная и безопасная ячейка памяти для квантовой информации, что является значительным шагом вперёд в развитии квантовых вычислительных систем.