Совместная группа ученых из Франции и Германии впервые смогла записать квантовую информацию (закодированную за счет единичного ядерного спина в молекулярном транзисторе) при помощи только электрического поля. Как считают ученые, предложенная ими методика будет иметь большое значение для будущего развития квантовых компьютеров.

«Классические» компьютеры хранят и обрабатывают информацию, закодированную в виде «битов», принимающих значение «0» или «1».

В отличие от них, принцип действия квантовых компьютеров базируется на идее о том, что квантовая частица (к примеру, электрон или атомное ядро) может находиться в двух состояниях одновременно (со спином, направленным условно «вверх» и «вниз). Эти 2 спиновых состояния представляют собой логический «0» и «1», а N таких частиц могут быть объединены (или «спутаны») для представления 2N значений одновременно.

Таким образом, логика квантовых компьютеров делает возможной параллельную обработку информации, которая попросту невозможна с классической вычислительной техникой.

К сожалению, на практике сложно реализовать даже простейший квантовый компьютер. Из-за хрупкого характера квантовых состояний, они легко разрушаются и их довольно трудно контролировать.

Для нормальной работы кубиты должны быть хорошо изолированы от окружающей среды. Только это позволяет сохранить им свои квантовые свойства, предотвращая «декогеренцию» и оставляя при этом возможность чтения и обработки состояния.

Хорошими кандидатами на роль кубитов считается собственный момент атомного ядра (или ядерный спин), поскольку он удовлетворяет упомянутым выше критериям. Однако магнитный момент ядерного спина в 10 миллиардов раз меньше, нежели момент одного бита информации на современных жестких дисках. Для обнаружения такого слабого сигнала совместная группа ученых из Université de Grenoble, Institut Universitaire de France, Institute of Technology и the Institut de Physique et de Chimie des Materiaux (Франция), а также Institute of Nanotechnology (Германия) разработала очень чувствительный датчик магнитного поля – магнитный спин-транзистор, состоящий всего лишь из одной молекулы.

Сердцем этого устройства является «двухъярусный» магнит из молекулы тербия, который одновременно фиксирует и усиливает ядерный спин. Причем, усиление осуществляется за счет так называемого сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электронным спином тербия, позволяющего повысить сигнал более чем в 1000 раз.

В рамках разработанной системы исследователи смогли считать ядерный «спинозависимый» магнитный момент тербия с помощью туннельного тока через молекулы (поскольку электронный спин тербия сильно взаимодействует с туннельными электронами посредством так называемого обменного взаимодействия). Более того, команда заявила, что может управлять ядерным спином тербия с помощью только лишь переменного электрического поля. Это открытие оказалось неожиданным, поскольку по своей природе ядерный спин не чувствителен к внешним электрическим полям. Успеха удалось добиться, благодаря эффекту Штарка: приложенное электрическое поле изменяет волновые функции тербия. И эти изменения, в свою очередь, вызывают корректировку эффективного магнитного поля в ядре. Если при этом частота колебаний магнитного поля будет соответствовать спин-уровням ядра, появляется возможность управлять самим ядерным спином.

Поскольку эффект Штарка наблюдается и в других ядерных спиновых кубитах, таких как примесные атомы висмута или фтора в кремнии, исследователи уверены, что их результаты могут быть применены и к этим системам.

Таким образом, предложенная методика представляет собой очень общий способ управления ядерным спином при помощи электрического поля.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature.

В настоящее время команда планирует масштабировать предложенную схему на несколько кубитов, соединив в одном устройстве несколько отдельных молекул тербия. Если они добьются на этом поприще успеха, их работа будет лучшим доказательством того, что масштабирование ядерных спиновых кубитов снизу вверх действительно возможно.