Исследователи установили рекорд, сохраняя квантовые состояния более 5 секунд

Чипы, используемые в эксперименте, изготовлены из карбида кремния, недорогого и широко используемого материала. Предоставлено: Дэвид Авшалом / Чикагский университет.

Но исследователи все еще пытаются понять, как легко читать информацию, содержащуюся в этих кубитах, и борются с коротким временем памяти или когерентностью кубитов, которая обычно ограничена микросекундами или миллисекундами.

Группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Чикагского университета добилась двух крупных прорывов в преодолении этих общих проблем для квантовых систем. Они смогли считывать свой кубит по запросу, а затем сохранять квантовое состояние неповрежденным более пяти секунд — новый рекорд для этого класса устройств. Кроме того, кубиты исследователей сделаны из простого в использовании материала, называемого карбидом кремния, который широко используется в лампочках, электромобилях и высоковольтной электронике.

«Сохранение квантовой информации в таких человеческих временных масштабах — редкость», — сказал Дэвид Авшалом, старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории, директор центра квантовых исследований Q-NEXT, профессор молекулярной инженерии и физики семьи Лью в Чикагском университете. главный исследователь проекта. «Пяти секунд достаточно, чтобы отправить сигнал о скорости света на Луну и обратно. Это мощно, если вы думаете о передаче информации от кубита кому-то через свет. Этот свет по-прежнему будет правильно отражать состояние кубита даже после того, как он облетит Землю почти 40 раз, прокладывая путь к созданию распределенного квантового интернета».

Создавая систему кубитов, которую можно сделать из обычной электроники, исследователи надеются открыть новый путь для квантовых инноваций с использованием масштабируемой и экономичной технологии.

«По сути, это выводит карбид кремния на передний план в качестве платформы квантовой связи», — сказала аспирантка Чикагского университета Елена Глен, соавтор статьи. «Это захватывающе, потому что его легко масштабировать, поскольку мы уже знаем, как делать полезные устройства из этого материала».

«В 10 000 раз больше сигнала»

Первым прорывом для исследователей стало облегчение чтения кубитов из карбида кремния.

Каждому компьютеру нужен способ чтения информации, закодированной в его битах. Для полупроводниковых кубитов, подобных тем, которые измеряла команда, типичным методом считывания является обращение к кубитам с помощью лазеров и измерение излучаемого обратно света. Однако эта процедура сложна, поскольку требует очень эффективного обнаружения отдельных частиц света, называемых фотонами.

Вместо этого исследователи используют тщательно разработанные лазерные импульсы, чтобы добавить один электрон к своему кубиту в зависимости от его начального квантового состояния, будь то ноль или единица. Затем кубит считывается так же, как и раньше — лазером.

«Только теперь излучаемый свет отражает отсутствие или присутствие электрона, а сигнал почти в 10 000 раз больше», — сказал Глен. «Преобразовав наше хрупкое квантовое состояние в стабильные электронные заряды, мы можем гораздо проще измерить наше состояние. Благодаря этому усилению сигнала мы можем получать надежный ответ каждый раз, когда проверяем, в каком состоянии находится кубит. Этот тип измерения называется «однократным считыванием», и с его помощью мы можем открыть множество полезных квантовых технологий».

Вооружившись методом однократного считывания, ученые могли сосредоточиться на том, чтобы их квантовые состояния сохранялись как можно дольше — печально известная проблема для квантовых технологий, поскольку кубиты легко теряют свою информацию из-за шума в окружающей среде.

Исследователи вырастили высокоочищенные образцы карбида кремния, которые уменьшили фоновый шум, который имеет тенденцию мешать функционированию их кубитов. Затем, применяя к кубиту серию микроволновых импульсов, они увеличили количество времени, в течение которого их кубиты сохраняли свою квантовую информацию, — концепция, именуемая «когерентностью».

«Эти импульсы отделяют кубит от источников шума и ошибок, быстро меняя квантовое состояние», — сказал Крис Андерсон из Чикагского университета, соавтор статьи. «Каждый импульс похож на нажатие кнопки отмены на нашем кубите, стирая любую ошибку, которая могла произойти между импульсами».

Исследователи считают, что возможна еще более длительная когерентность. Увеличение времени когерентности имеет важные последствия, например, насколько сложна операция, которую может выполнять будущий квантовый компьютер, или насколько слабый сигнал может обнаружить квантовый датчик.

«Например, это новое рекордное время означает, что мы можем выполнить более 100 миллионов квантовых операций, прежде чем наше состояние будет зашифровано», — сказал Андерсон.

Ученые видят множество потенциальных применений разработанных ими методов.

«Возможность выполнять однократное считывание открывает новую возможность: использование света, излучаемого кубитами из карбида кремния, для помощи в разработке будущего квантового интернета», — сказал Глен. «Основные операции, такие как квантовая запутанность, когда квантовое состояние одного кубита можно узнать, считывая состояние другого, теперь доступны для систем на основе карбида кремния».

«По сути, мы создали переводчик для преобразования квантовых состояний в царство электронов, которые являются языком классической электроники, вроде того, что находится в вашем смартфоне», — сказал Андерсон. «Мы хотим создать новое поколение устройств, чувствительных к одиночным электронам, но также принимающих квантовые состояния. Карбид кремния может делать и то, и другое, и именно поэтому мы считаем, что он действительно сияет».