Одним из наиболее популярных типов кубитов в прототипах квантовых компьютеров являются ионы металлов, удерживаемые в специальной ионной ловушке с помощью лазерного охлаждения. Однако необходимая для удержания длина волны лазера приводит к снижению эффективности такого кубита. Чтобы решить эту проблему, американские физики предложили вместо стабильных изотопов в качестве кубитов использовать радиоактивный изотоп бария с большим периодом полураспада. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Кубит — единичный элемент хранения информации в квантовом компьютере. В качестве кубитов чаще всего используются сверхпроводниковые кольца с джозефсоновским контактом или отдельные ионы, которые захватываются специальными ионными ловушками и удерживаются в них с помощью лазерного охлаждения. Подробно о кубитах в квантовых компьютерах мы писали в одном из наших недавних материалов.

D. Hucul et al./ Phys. Rev. Lett., 2017

Использовать в качестве кубитов ионы щелочноземельных (и подобных им по электронной структуре) металлов предложили из-за возможности довольно легко менять с помощью микроволнового излучения их сверхтонкую структуру. А меняя сверхтонкую структуру, можно управлять квантовым состоянием такого ионного кубита. Лучше всего для этого подходят ионы с полуцелым спином ядра, который приводит к формированию пары состояний, для которых проекции полного момента вдоль магнитного поля равна нулю. Кубиты с такими квантовыми состояниями оказываются хорошо защищены от магнитного поля и могут удерживать когерентное состояние дольше 10 минут. Однако из всех устойчивых изотопов лишь три иона — кадмия, ртути и иттербия — обладают нужным (полуцелым) спином ядра и такой электронной структурой, что длина волны лазера, необходимого для охлаждения, находится относительно близко к видимой области. Но для всех из этих ионов для охлаждения необходимо использовать коротковолновое ультрафиолетовое излучение, что не всегда возможно внутри сложных архитектур квантовых компьютеров, и сильно ограничивает расстояние, на которое может передаваться квантовая информация. 

В своей работе физики предложили вместо естественных изотопов использовать для создания кубита синтезированный искусственный изотоп бария-133 с временем полураспада около 10 лет. Ион 133Ba+ обладает уникальной комбинацией свойств: с одной стороны он обладает необходимым ядерным спином 1/2, а с другой — электронной структурой с энергией переходов в видимой части спектра.

Сверхтонкая структура иона бария-133 и переходы, которые происходят при его лазерном охлаждении. D. Hucul et al./ Phys. Rev. Lett., 2017

В качестве источника бария ученые использовали кислотный раствор хлорида бария (II), содержащий 2 процента нужного изотопа. Из него с помощью лазерной абляции в ионные ловушки захватывались ионы бария. Основная трудность заключалась в том, чтобы удержать в ионной ловушке только необходимый изотоп бария-133 со спином 1/2. Для этого была использована частотная селективность лазерного нагревания и охлаждения. Используя различия в сверхтонкой структуре энергетических уровней ионов разных изотопов, ученые смогли таким образом удерживать в ионной ловушке правильные изотопы и выгонять из нее неправильные.

Зафиксировав в ионной ловушки только необходимые ионы 133Ba+, ученые смогли исследовать сверхтонкую структуру энергетических уровней нужного иона. Полученные спектры подтвердили, что такие ионы действительно можно использовать в качестве кубитов. При этом физикам удалось зарегистрировать ранее неизвестное сверхтонкое расщепление уровня 52D3/2.

Таким образом, было показано, что и ионы нестабильных изотопов могут быть использованы в качестве кубитов в квантовых компьютерах. Скорее всего, благодаря лазерному охлаждению с использованием излучения в видимой области, новая методика поможет создать более эффективные квантовые компьютеры, чем были предложены ранее на основе ионов иттербия.

Автор: Александр Дубов