Физики из США и Японии увеличили время когерентности твердотельных спиновых кубитов до десятков миллисекунд, что на четыре порядка больше, чем в предыдущих спиновых системах. Работа опубликована в журнале Science.

Квантовые компьютеры способны превзойти классические вычислительные устройства во многих задачах, от симуляций сложных биологических систем до разложения больших чисел на простые множители. Элементарные объекты в квантовым компьютере (кубиты) представляют собой микроскопические и очень хрупкие системы. Например, в твердотельной реализации квантового устройства в качестве кубитов выступают спины.

Основная характеристика кубитов — это время когерентности, которое определяет сколько живет квантовое состояние. В спиновых системах время когерентности достигает нескольких микросекунд, что, к сожалению, не достаточно чтобы провести большие и интересные вычисления.

Группа ученых из США и Японии под руководством профессора Дэвида Авшалома (David D. Awschalom) разработала метод сохранения когерентности спиновых кубитов до десятков миллисекунд, что в 10000 раз больше предыдущих экспериментов.

Группа профессора Авшалома из США. University of Chicago

Обычно для увеличения времени когерентности ученые пытаются изолировать квантовую систему и убрать внешние шумы. Однако, полностью изолировать систему невозможно — необходимо ее контролировать, запутывать с другими системами и считывать, что непременно вносит шум и уменьшает когерентность.

Группа профессора Авшалома выбрала другой путь: вместо того, чтобы изолировать спины физики привели квантовую систему в такое состояние, при котором она стала намного менее чувствительна к внешним шумам. Для этого ученые прикладывали к спинам переменное магнитное поле, которое быстро вращало спины и тем самым снижало чувствительность к тепловым и потоковым флуктуациям, являющимся основным источником шума.

В качестве классического аналога можно представить себя на карусели в компании с очень шумными, кричащими людьми. Если карусель неподвижна, то вы отчетливо слышите крики, но когда карусель начинает быстро вращаться крик смазывается и до вас доходит меньше шума.

В результате физикам удалось достичь времени когерентности в 22 миллисекунды при включенном магнитном поле, в то время как при выключенном поле оно составляло лишь несколько микросекунд.

Время затухания осцилляций кубита составило 22 миллисекунды при включенном поле и всего несколько микросекунд при выключенном. K. S. Miao, et al. / Science, 2020

Интересно, что такой метод применим не только к спиновым кубитам, но и к сверхпроводящим системам и кубитам в дефектах алмаза.