Благодаря контролируемым колебаниям, возникающим непосредственно внутри атомного ядра, исследователи нашли способ применять его в качестве хранилища для квантовой информации. В подобной среде кубиты оказываются надежно изолированы от нежелательного внешнего воздействия.
Именно эти внешние помехи, проявляющиеся как шум, являются главным препятствием для развития квантовых технологий. Предложенная методика хранения призвана сделать данную проблему неактуальной. Такие хорошо защищенные данные открывают новые горизонты для применения в сфере квантовых вычислений и моделирования. Стоит отметить, что аналогичные прорывы в смежных областях, например, недавние новости из мира науки, также демонстрируют невероятный потенциал современных исследований.
О своих последних достижениях научное сообщество узнало из публикации в журнале Nature Communications. Команда специалистов из Делфтского технологического университета (Нидерланды) провела серию экспериментов с использованием единичного атома титана. Целью было проверить практическую возможность записи, хранения и последующего считывания квантовой информации из глубины атомного ядра.
Ядро атома как носитель квантовой информации
Исследователи из Нидерландов экспериментально подтвердили, что ядро атома способно выступать в роли эффективного и крайне защищенного носителя для квантовых битов.
Безусловно, оказать контролируемое воздействие на объект столь малого масштаба было колоссальной инженерной задачей. Однако успех голландских физиков доказал принципиальную реализуемость этой идеи. Это открывает путь к созданию совершенно новых типов запоминающих устройств.
Суть метода заключается в использовании спинового состояния ядра, проще говоря, направления его собственного вращения. Ориентация этого спина в конкретный момент времени и кодирует в себе квантовую информацию, подобно тому, как направление намагниченности в классических носителях кодирует биты.
На теоретическом уровне концепция выглядит элегантно и не кажется невыполнимой. На практике же всё значительно сложнее. Ключевая проблема заключалась в том, что хранение кубитов на ядерном спине сильно затрудняет как процесс управления ими, так и, особенно, процесс считывания закодированных данных. Ядро слишком мало и чувствительно к окружению.
Сложность усугубляется тем, что на крошечное ядро активно влияют окружающие его электроны и их собственные спины. Авторы работы нашли способ обратить эту взаимосвязь в свою пользу. Они разработали методику, позволяющую использовать взаимодействие между электронным и ядерным спином для считывания состояния последнего.
В ходе экспериментов учёные осознали, что для достижения контроля необходимо сначала согласовать спины электронов и ядра, а затем — временно нарушить это согласование. Главным открытием стало то, что для этого нужно «разрушить» когерентность спина электрона, инициировав управляемые вибрации внутри атомной решетки. Эти колебания действуют на электрон, но практически не влияют на изолированное ядро.
Хотя продолжительность этих искусственно вызванных вибраций составляет лишь доли микросекунды, этого интервала оказалось достаточно для переключения и фиксации нужного состояния. На следующем этапе в работу включили иглу сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). С её помощью команда смогла детектировать и интерпретировать спиновое состояние ядра, успешно считывая записанную информацию без её разрушения.
Крайне важно, что учёные подтвердили: потери данных в процессе хранения зафиксировано не было. Иными словами, информация оставалась в полной сохранности, что доказывает: ядро одиночного атома может служить стабильным и сверхнадежным хранилищем.