Физики и химики из Университета Флориды нашли новый способ увеличить время жизни спиновых кубитов. Для этого они использовали специальные магнитные комплексы. По словам авторов, явление, оберегающее магнитные атомы этих комплексов от декогеренции, очень близко к тому, что лежит в основе механизма работы сверхточных атомных часов. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Квантовые компьютеры, как и обычные, требуют специальных носителей информации — квантовых битов или кубитов. В отличие от классических битов, хранящих в себе конкретное значение — ноль или единицу — в кубитах записана суперпозиция этих состояний. Иными словами, с некоторой вероятностью измерив значение кубита, мы получим значение «ноль» или «единица». 

Такая суперпозиция возможна лишь в квантовой системе и, как показали эксперименты, она является очень хрупким состоянием. Любое необратимое взаимодействие с внешней средой приводит к так называемой декогеренции — разрушению суперпозиции, что нарушает работу вычислителя. Поэтому одна из важнейших задач физиков это увеличение времени жизни кубитов — времени когерентности.

Фрагмент карты интенсивности ЭПР-спектров (слева). Справа — структура полиоксометаллата гольмия, [Ho(W5O18)2]9− Muhandis Shiddiq et al. / Nature, 2016

Один из типов кубитов записывает информацию в спине частицы — характеристике, часто связываемой с направлением вращения объекта. Для этого ученые используют магнитные молекулы, к примеру, различные кластеры и комплексы переходных металлов. Однако, именно магнитная природа этих частиц оказывается причиной их декогеренции. Для того чтобы избежать этого, инженеры «разбавляют» квантовую систему, увеличивая расстояния между кубитами. Как правило, в таких разбавленных системах примерно одна магнитная молекула на 10 тысяч молекул среды.

Но у этого подхода есть свои минусы — вычисления требуют взаимодействий между элементами памяти, а значит полностью изолировать их друг от друга нельзя. В новой работе ученые продемонстрировали новый подход, позволяющий защитить кубиты от декогеренции. 

В качестве основы физики выбрали комплекс гольмия, в котором центральный магнитный атом окружен большими шапками из оксида вольфрама. Авторы вырастили монокристалл вещества, в котором кроме комплексов гольмия были еще и такие же, но немагнитные, комплексы иттрия. Доля магнитных частиц составляла от 0,1 до 1 процента, что в десятки и сотни раз больше чем в аналогичных экспериментах. Затем ученые изучали как меняются состояния магнитов во времени.

Главная характеристика, показывающая насколько магнитный спин защищен от внешних воздействий, «шумов», — это время релаксации. Иными словами, это время, за которое частица принимает равновесное состояние из-за взаимодействий со средой. Оно напрямую связано с временем когерентности квантовой системы.

Оказалось, что строение комплекса позволяет одновременно задавать атому гольмия высокую величину спина и эффективно экранировать его от внешних взаимодействий. Для выбранного кристалла время когерентности составило от 5,2 до 8,4 микросекунды при охлаждении до пяти кельвинов. По словам авторов, этого вполне достаточно для того, чтобы успеть выполнить вычислительную задачу.

Как утверждают авторы, следующий шаг в увеличении времени когерентности за химиками. Работа показала, какими свойствами могут обладать возможные спиновые кубиты. К примеру, их структура должна задавать определенное спиновое состояние центрального атома. 

Кроме спиновых кубитов предложены и активно развиваются и другие их виды, к примеру, на основе сверхпроводников, ультрахолодных атомов и квантовых оптических полостей. Хотя времена когерентности, достижимые большинством методов составляют десятки микросекунд, существуют и рекордсмены, сохраняющие свое состояние вплоть до нескольких часов.

Автор: Владимир Королёв