Специалисты из Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук и Российского квантового центра провели детальное исследование нейтральных атомов тулия, рассматривая их как многообещающую основу для квантовых вычислений.
Ученые изучили характеристики данного элемента для применения в качестве кубитов, представляющих собой биты квантовой информации, и показали, что им можно эффективно управлять, используя как микроволновое излучение, так и лазеры. Научная статья опубликована в топовом журнале PRX Quantum.
«Атомы тулия обладают уникальными свойствами, благодаря которым на одной платформе можно использовать протоколы, свойственные как щелочным (например, рубидий и цезий), так и щелочноземельным (стронций, иттербий и другие) элементам. Как и первые, кубиты на основе тулия обеспечивают надёжность и точность квантовых операций внутри сверхтонкой структуры. В то же время, как и вторые, они предоставляют возможность управлять энергетическими состояниями атомов посредством оптического излучения. Это, в свою очередь, позволяет воплотить в жизнь разнообразные квантовые алгоритмы» , – по словам одного из разработчиков, научного сотрудника лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Денис Мишин.
По словам специалиста, значительное время когерентности, то есть способность долго удерживать квантовое состояние, представляет интерес для экспертов. Это может значительно улучшить качество квантовых операций и позволяет создавать протоколы для временного хранения квантовой информации, аналогично тому, как это реализовано в оперативной памяти классических компьютеров.
По словам разработчиков, тулий – это редкоземельный элемент, обладающий сложной энергетической структурой. Основой для квантовых вычислений эти атомы являются благодаря способности кодировать кубиты в сверхтонких подуровнях основного состояния. Эти подуровни представляют собой близкие энергетические компоненты, которые отличаются ориентацией магнитных моментов ядра и электронов: они могут быть ориентированы либо параллельно, либо антипараллельно. Разница в энергии между этими состояниями соответствует узкому диапазону частот – микроволновой частоте в 1497 МГц. Воздействие на этой частоте позволяет «переключать» кубит, то есть управлять его квантовым состоянием.
Эти подуровни демонстрируют незначительную чувствительность к изменениям внешнего магнитного поля. Благодаря этому, данные, зафиксированные в подобном кубите, способны сохраняться в течение нескольких десятков секунд, что является весьма продолжительным сроком в квантовой механике.
«Наиболее значимым результатом работы стало сохранение устойчивого квантового состояния на протяжении 55 секунд. Этот показатель является одним из лучших, зафиксированных на сегодняшний день. Кроме того, нами разработан способ изменения состояния кубитов между основным и метастабильным (с продолжительностью жизни 112 миллисекунд). Данная технология обеспечивает защиту квантовой информации от внешних воздействий и открывает возможности для внедрения протоколов, направленных на повышение точности квантовых вычислений» , – отметил один из авторов исследования, директор ФИАН и академик Николай Колачевский.
Ученый также отметил, что все эксперименты осуществлялись на оборудовании, которое первоначально было разработано для создания миниатюрных, высокоточных оптических часов, использующих атомы тулия. Это свидетельствует о том, что атомы тулия представляют собой универсальную основу, обладающую значительным потенциалом для широкого спектра применений в квантовых технологиях.
Материалы и фотографии предоставлены Отделом по связям с общественностью Физического института им. П.Н. Лебедева РАН