Побит мировой рекорд длительности квантового состояния

15 ноября 2013 г.

Обычно неустойчивое квантовое состояние, просуществовав при комнатной температуре в течение 39 минут, побило мировой рекорд и преодолело важный барьер на пути создания сверхбыстрых квантовых компьютеров

Международная группа, в которой участвует Стефани Симмонс (Stephanie Simmons) из Оксфорда, опубликовала на этой неделе в «Science» отчёт о результатах эксперимента, проведённого в рамках проекта Майка Теволта (Mike Thewalt) с сотрудниками, Университет Саймона Фрейзера (Simon Fraser University), Канада.

В обычном компьютере данные записываются в виде единиц (1) и нулей (0). В данном же эксперименте квантовые биты информации — «кубиты» («qubits») — были расположены в состоянии «суперпозиции», при котором они одновременно могли иметь оба значения — и «1», и «0», — что позволяет им одновременно выполнять разные процессы вычисления.

В ходе эксперимента температура системы, в которой информация была закодирована на ядрах атомов фосфора, внедрённого в кремниевую подложку, была поднята от —269°С до +25°С, и оказалось, что состояние суперпозиции при этой «сумасшедшей» температуре сохранялось в течение 39 минут! Предыдущий рекорд (использовались не кремниевые подложки) сохранения такого состояния при комнатной температуре составлял около двух секунд. Исследователи даже обнаружили, что в процессе роста температуры они могут манипулировать кубитами и что они с достаточной надёжностью могут сохранять информацию посредством «повторной заморозки» (так как используемая для считывания кубитов оптическая технология работает только при очень низких температурах).

«Может показаться, что тридцать девять минут — это не очень много. Но для того, чтобы перевернуть спин ядра иона фосфора, требуется всего одна стотысячная доля секунды — один шаг операций, используемых в квантовых вычислениях, — что теоретически позволяет провести свыше двух миллионов операций за время, при котором естественный распад состояния суперпозиции составит всего 1%. При такой надёжности и живучести кубиты могли бы оказаться полезными тем, кто работает над созданием квантового компьютера», — говорит Стефани Симмонс, Департамент материалов Оксфордского университета, одна из авторов статьи.

«Это открывает возможность по-настоящему долгосрочного когерентного сохранения информации при комнатной температуре», — говорит Майк Теволт, поставивший вместе с коллегами эксперимент в лаборатории университета Саймона Фрейзера в Бёрнаби, Британская Колумбия, Канада.

Группа исследователей начала работу с небольшой полоски кремния с примесью небольшого количества других элементов, включающей и фосфор. Квантовая информация была закодирована в ядрах атомов фосфора. Каждое ядро имеет внутреннюю квантовую характеристику, называемую «спин», которая, попадая в магнитное поле, ведёт себя, как маленькая магнитная стрелка. Спинами можно манипулировать, направляя их вверх (0), вниз (1) или под какими-то другими углами между этими двумя направлениями, представляющими собой суперпозицию первых двух состояний.

«Такие времена жизни, как минимум, в десять раз дольше, чем полученные в предыдущих экспериментах, — говорит Стефани Симмонс. — Нам удалось идентифицировать систему, у которой, по-видимому, практически отсутствует шум. Это прекрасная основа для создания кубитов».

Прежде, чем группа сможет провести полномасштабные квантовые вычисления, ей ещё предстоит выполнить определённый объём работы. Все ядерные спины 10 миллиардов (или около того) использованных в обсуждаемом эксперименте ионов фосфора находились в одинаковом квантовом состоянии. Однако для выполнения вычислений физикам нужно будет привести разные кубиты в разные состояния. «Последняя оставшаяся большая задача — это получить управляемое взаимодействие между ними», — говорит Симмонс.

Отчёт о данном исследовании, под заголовком «С использованием ионизированных доноров в кремнии-28 сохранность квантовых битов при комнатной температуре превысила 39 минут» ('Room-Temperature Quantum Bit Storage Exceeding 39 Minutes Using Ionized Donors in Silicon-28'), опубликован на этой неделе в «Science».