Квантовая запутанность жила микросекунду - учёные продлили её жизнь в 240 раз

Квантовые технологии сталкиваются с почти парадоксальной проблемой: чем лучше кубит чувствует окружающий мир, тем легче этот мир разрушает его квантовое состояние. Особенно трудно работать при комнатной температуре, где атомы непрерывно колеблются, а электрические и магнитные шумы мешают сохранять хрупкую квантовую информацию. Китайские физики нашли изящный выход: вместо бесконечной борьбы с шумом они временно «спрятали» запутанность в гораздо более устойчивом месте.

Эксперимент проводился с цветовыми центрами в карбиде кремния. Под таким названием скрываются дефекты кристаллической решётки атомного масштаба. Связанные с ними электроны обладают спином — квантовым свойством, которое можно использовать для хранения информации. Состоянием электронного спина сравнительно удобно управлять светом и микроволнами, поэтому такие дефекты рассматриваются как перспективные твердотельные кубиты.

Особенно интересны цветовые центры, расположенные всего в нескольких нанометрах от поверхности материала. Чем ближе электронный спин находится к поверхности, тем сильнее он способен взаимодействовать с внешними магнитными и другими сигналами. Для квантового сенсора это преимущество: можно обнаруживать чрезвычайно слабые воздействия окружающей среды.

Но эта чувствительность работает в обе стороны. Тот же электрон начинает сильнее ощущать нежелательный поверхностный шум. Его когерентность — способность сохранять определённое квантовое состояние — быстрее разрушается. Вместе с ней исчезает и запутанность, необходимая для многих квантовых вычислений, сетей и высокоточных измерений.

Чтобы понять проблему, можно представить электрон как превосходного разведчика с очень чувствительным радиоприёмником. Он прекрасно слышит слабый полезный сигнал, но одновременно принимает огромное количество помех. Нужен второй участник системы, который хуже взаимодействует с внешним миром, зато способен долго хранить полученное сообщение.

Таким «архивом» стали атомные ядра. Исследователи использовали изотоп кремний-29, составляющий примерно 5% природного кремния. В отличие от большинства ядер кремния, кремний-29 обладает ядерным спином. Через сверхтонкое взаимодействие этот спин может быть связан с электронным спином расположенного рядом цветового центра.

Ядерные спины гораздо труднее контролировать непосредственно, зато они значительно слабее чувствуют поверхностный шум. Получается естественное разделение обязанностей: электрон удобен для быстрого взаимодействия и считывания, а ядро — для хранения квантового состояния. Оставалось научиться надёжно перемещать информацию между ними.

Для этого команда разработала последовательность операций SWAP. Само название буквально означает «обмен»: квантовые состояния двух кубитов меняются местами. Сначала исследователи создавали запутанное состояние между электроном цветового центра и находящимся рядом ядром, после чего переносили запутанность на пару ядер кремния-29.

Электрон после этого уже не обязан был долго удерживать чрезвычайно хрупкое состояние. Запутанность словно переносили из шумной комнаты в защищённое хранилище. Когда информация снова требовалась экспериментаторам, последовательность операций возвращала состояние электрону, где его можно было удобно считать.

Результат оказался впечатляющим. Первоначальное запутанное состояние создавалось с точностью около 94%. После переноса на ядерные спины показатель составлял примерно 92,5%, то есть операция происходила с относительно небольшой потерей качества.

Главное различие проявилось во времени. Запутанность, хранившаяся с использованием электронного спина, сохранялась чуть более одной микросекунды. После переноса в ядерную память её удалось поддерживать более 240 микросекунд. Таким образом, продолжительность хранения увеличилась более чем в 240 раз — причём эксперимент проводился при комнатной температуре.

Двести сорок микросекунд кажутся ничтожным промежутком в человеческом масштабе. Но для квантовой системы это принципиально иное временное окно. За дополнительные микросекунды можно успеть выполнить больше управляющих операций, провести измерения или передать состояние другим элементам системы. В квантовой электронике выигрыш во времени непосредственно превращается в дополнительные возможности.

Есть и ещё одна важная деталь. Результат получен не на единственном уникальном дефекте, который исследователям случайно удалось найти после долгих поисков. Команда исследовала 200 отдельных цветовых центров в карбиде кремния естественного изотопного состава. Более чем у 10% обнаружились два или больше достаточно сильно связанных ядерных спина, пригодных для формирования небольших квантовых регистров.

Это существенно для будущего масштабирования технологии. Если необходимые атомные конфигурации относительно регулярно встречаются в обычном материале, создавать устройства потенциально проще, чем в случае, когда для каждого кубита требуется исключительно редкая и специально сконструированная структура.

Карбид кремния интересен ещё и потому, что это далеко не экзотический лабораторный материал. Он уже широко применяется в современной силовой электронике благодаря способности работать при высоких напряжениях и температурах. Разумеется, производство силовых полупроводников и квантовых устройств требует совершенно разных технологий, но развитая промышленная база материала сама по себе делает его привлекательным для исследований.

Новая работа демонстрирует общий принцип, который может оказаться важнее конкретного рекорда. Возможно, идеальный квантовый элемент вообще не должен одновременно прекрасно взаимодействовать с внешним миром и долго хранить информацию. Эти функции можно разделить: один кубит становится быстрым интерфейсом, другой — защищённой памятью.

Получается своеобразная квантовая эстафета. Электрон принимает и передаёт информацию, а ядро удерживает её в моменты, когда активное взаимодействие не требуется. Затем состояние возвращается обратно. Вместо поиска единственного «идеального кубита» инженеры могут строить гибридные системы, где разные квантовые объекты выполняют именно ту работу, для которой подходят лучше всего.

До практического квантового компьютера, работающего на столе при комнатной температуре, этот эксперимент сам по себе не приводит. Необходимо значительно увеличить количество управляемых кубитов, улучшить точность операций, обеспечить воспроизводимость и научиться соединять отдельные квантовые узлы. Но исследование показывает важную вещь: высокая чувствительность квантового сенсора и длительное хранение запутанности не обязательно должны быть взаимоисключающими.

Иногда квантовую информацию не нужно сильнее защищать там, где она возникла. Достаточно вовремя перенести её туда, где окружающий мир почти перестаёт ей мешать.