Нестабильность квантовой суперпозиции — свойства, которое обеспечивает квантовым вычислениям огромный выигрыш в производительности на ряде задач, является одним из главных препятствий для создания квантовых компьютеров общего назначения.

Во многих технологических областях наилучшим способом сохранения стабильности физической системы является управляемся обратная связь. На основании измерений (траектории самолёта или температуры двигателя) рассчитывается управляющее воздействие, необходимое для возвращения системы в требуемое состояние.

Эту методологию нельзя напрямую перенести на квантовые системы, так как измерение разрушает суперпозицию. Поэтому к ним применяют, так называемый, разомкнутый цикл управления. Как пояснила профессор MIT Паола Каппелларо (Paola Cappellaro), это значит, что вы сами решаете, как управлять системой, применяете к ней свой контроллер и надеетесь на лучшее.

Вместе со своим бывшим студентом Масаши Хиросе (Masashi Hirose) профессор Каппелларо разработала систему управления с обратной связью для стабилизации квантовой суперпозиции, которая не нуждается в измерениях.

Квантовый контроллер, описанный ими в свежем выпуске журнала Nature, использует азот-замещённые вакансии (NV-центры) — дефекты в углеродной решётке алмаза, образованные атомом азота и соседней вакансией (отсутствие атома углерода). С каждым NV-центром связана группа электронов смежных атомов со спином, который под действием внешнего магнитного поля может ориентирован вверх, вниз или находиться в суперпозиции этих двух состояний.

Ядра атомов также обладают спином, и авторы использовали его для управления электронным спином NV-центра. Сначала, микроволновой импульс переводит электронный спин в состояние суперпозиции, а затем другой радиосигнал задает требуемое спиновое состояние ядра атома азота. Далее, ещё одна доза микроволнового излучения перепутывает спины ядра и NV-центра.

На этой стадии «NV-кубит» может использоваться в квантовых вычислениях. Каппелларо и Хиросе работали только с одним кубитом, поэтому смогли его протестировать только на самой элементарной логической операции «НЕ», изменяющей значение бита. Поскольку спины ядра и NV-центра перепутаны, любой сбой в вычислениях будет отражаться в состоянии ядра атома азота.

После завершения расчётов, третий импульс микроволн — с развёрнутой поляризацией по отношению ко второму — устраняет перепутывание ядра и NV-центра. Финальная последовательность микроволновых сигналов калибруется так, что их воздействие на NV-центр зависит от состояния ядра азота. Если в вычисления вкралась ошибка, микроволны исправят её, в противном случае состояние NV-центра останется неизменным.

В своих экспериментах исследователи показали, что с обратной связью суперпозиция кубита NV-центра сохраняется примерно в 1000 раз дольше, чем без неё.