Американские ученые разработали метод, который обеспечивает почти полную защиту квантовой системы от внешних помех.
Квантовые технологии открывают перед человечеством перспективы, которые сейчас кажутся невероятными, такие как создание чрезвычайно мощных вычислительных машин или информационных сетей, защищенных от несанкционированного доступа. Однако для реализации этих возможностей ученым предстоит решить задачу удержания квантовых систем в стабильном состоянии в течение более длительного времени, чем несколько миллионных долей секунды.
Ученые из Притцкеровской школы молекулярного инжиниринга Чикагского университета сообщили об изобретении метода, увеличивающего время удержания квантовых систем в «работоспособном состоянии» в 10 000 раз по сравнению с предыдущими технологиями. Результаты исследования были опубликованы в статье опубликована в издании Science. Ученые проверили разработанную ими методику на твердотельных кубитах, представляющих собой определенный класс квантовых систем, и полагают, что она может быть использована и для работы с другими типами систем.
«Этот прорыв создает фундамент для <…> новых направлений исследований в квантовой науке, — отмечает ведущий автор работы Дэвид Авшалом. — Благодаря широким возможностям применения и удивительно простой реализации, открытие позволит <…> влиять на многие аспекты квантовой инженерии».
Основная и ключевая инженерная задача для квантовых физиков заключается в преодолении хрупкости квантовых состояний. Эти состояния легко разрушаются даже незначительными вибрациями, воздействием электромагнитных полей или изменениями температуры. Для решения этой проблемы предлагается два основных пути: обеспечение физической изоляции квантовых устройств и использование материалов высочайшей чистоты при их изготовлении. Однако физическая изоляция представляет собой сложную и объемную задачу, а использование чистых материалов – крайне дорогостоящее решение.
Авторы новой работы выбрали иной подход. «Мы не стремимся исключить помехи (сторонние физические воздействия на систему. — Прим. ред.), возникающие в окружающей среде; напротив, мы «обманываем» систему, побуждая её действовать так, будто помех нет», — объясняет соавтор статьи Кевин Мьяо.
Сочетая стандартные электромагнитные импульсы, применяемые для управления квантовыми системами, исследователи использовали дополнительное непрерывное переменное магнитное поле. Точная настройка этого поля позволила ученым контролировать спины электронов и снижать влияние внешних помех. «Это похоже на ситуацию, когда ты находишься на вращающейся карусели, и вокруг тебя кто-то кричит, — объясняет Мьяо. — Когда конструкция не двигается, ты слышишь всех очень хорошо, но при быстром вращении фоновый шум становится менее заметным».
Благодаря этому методу система сохраняла стабильность в течение 22 миллисекунд, что на четыре порядка превышает показатели систем без соответствующей доработки. Разработанный подход обеспечивает защиту квантовых устройств от температурных колебаний, механических воздействий и электромагнитных помех.
«По мнению Дэвида Авшалома, этот подход открывает возможности для масштабирования. Он считает, что это сделает хранение квантовой информации в электронном спине действительно применимым на практике. Более длительный период хранения позволит выполнять более сложные операции в квантовых компьютерах и позволит квантовой информации <…> перемещаться на большие расстояния в сетях».
Ранее мы сообщали о том, что в CERN одобрили проект строительства гигантского коллайдера длиной более 100 километров, а поведение нейтрино указало на возможное решение проблемы дефицита антиматерии во Вселенной.