Новый результат в тысячу с лишним раз превышает прежнее достижение.

Группа учёных во главе с Майком Тевальтом (Mike Thewalt) из Университета Саймона Фрезера (Канада) использовала для хранения квантовой информации спин ядра атомов фосфора, помещённых в кристалл кремния.

Идея применения ядерного спина для хранения кубитов не нова, и при очень низких температурах время существования такого кубита оказывалось довольно большим.

Но стоило поднять температуру хотя бы до 10 К — и декогеренция начиналась через считанные миллисекунды.

Рис. 1. Связанный экситон, использованный г-ном Тевальтом и Ко в эксперименте, в представлении художника (иллюстрация Stephanie Simmons).

Главная причина нарушения квантового состояния с повышением температуры — тепловой «шум», и с целью избавиться от него группа г-на Тевальта выбрала атомы фосфора в кремниевой среде. В таких условиях фосфор быстро теряет электроны, и тем самым между ядерным спином атома и окружением исчезает важный «мостик» передачи «шума».

Но у такой технологии есть и недостатки: ядерный спин в «изоляции» защищён от воздействий внешней среды так хорошо, что прочитать его или перезаписать тоже не удаётся. Зачем тогда это нужно? Физики взялись обмануть природу, провернув операцию в две фазы. При 4,2 К они использовали лазерное и радиоволновое воздействие, чтобы привести нейтральные атомы фосфора в специфическое квантовое состояние, а затем лазерным импульсом ионизировали атомы фосфора, лишая их электронов. После этого кристаллы кремния, в которых находился фосфор, нагревались до комнатных 298 К.

Ну хорошо, записать это удалось, но как узнать, случилась ли уже декогеренция или кубит всё ещё функционирует? Спиновые эхо-измерения с помощью радиоимпульсов позволили достоверно выяснить, не разрушилось ли квантовое состояние у иона фосфора. Измерения такого рода показали, что

декогеренция наступила только через 39 минут. Это выше, чем прежний рекордный результат, равный двум секундам. Более того, в повторном эксперименте с тем же образцом, проведённым по той же методике, но при 4,3 К, декогеренцию удалось зарегистрировать только через три часа.

Разумеется, нам интереснее время существования кубита при комнатной температуре. Может показаться, что 39 минут — это не много, но, учитывая, что изменение ядерного спина иона фосфора занимает 10 микросекунд, за это время теоретически можно выполнить огромное количество операций. Суперпозиция подверглась бы 1-процентной вероятности распада за 20 млн операций подряд, что для нынешних квантовых компьютеров более чем внушительная цифра.

В ближайшее время команда г-на Тевальта намерена проработать тот же подход с атомами висмута, мышьяка и другими элементами в кремниевой среде.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.