Квантовое состояние при комнатной температуре удержали 39 минут

Международная группа учёных, руководителем которой выступил физик Майк Тевольт (Mike Thewalt) из университета имени Саймона Фрейзера установила новый рекорд в области квантовых вычислений. Результат эксперимента открывает дверь в мир новых сверхбыстрых квантовых компьютеров, которые позволят производить сразу несколько вычислительных операций одновременно.

Если в обычных компьютерах используются биты, принимающие значение 1 или 0, то квантовые компьютеры оперируют кубитами (qubit — quantum bit, "квантовый бит"). Кубиты находятся в состоянии суперпозиции, при котором они одновременно принимают значения 1 и 0, что значительно ускоряет вычисления.
В рамках нового эксперимента физики подняли температуру квантовой системы, в которой информация кодируется в ядрах атомов фосфора на кремниевой пластине, с -269 °С до 25 °С. Результаты показали, что состояние суперпозиции при комнатной температуре удерживается на протяжении 39 минут. Отрыв от предыдущего рекорда оказался очень большим: предыдущие исследования дали результат всего в две секунды при той же температуре.

Также исследователи заметили, что при росте температуры кубитами можно управлять, а при её повторном понижении единицы квантовой информации по-прежнему остаются стабильными.
"Тридцать девять минут только кажутся небольшим периодом. Но для смены направленности спина в ядрах иона фосфора, то есть для запуска квантовых вычислений, требуется всего одна стотысячная доля секунды. В теории можно проводить около 20 миллионов операций за то время, которое требуется для естественного распада суперпозиции на 1%. Это действительно даёт надежду на последующее конструирование мощных квантовых компьютеров", — поясняет соавтор исследования Стефани Симмонс (Stephanie Simmons) с факультета материаловедения оксфордского университета.

Хрупкое квантовое состояние суперпозиции при температуре в 25 градусов по Цельсию удерживали рекордные 39 минут (иллюстрация Stef Simmons, CC BY).

Эксперимент начался с того, что учёные взяли небольшой кусок кремния, легированный несколькими другими элементами, в том числе и фосфором. Квантовая информация была закодирована в ядрах атомов фосфора.

Каждое ядро имеет свою особую квантовую характеристику, называемую спином. Спин можно сравнить с микроскопическим магнитиком, помещённым в магнитное поле. Спинами можно управлять: "магнитик" может условно указывать либо вверх (что представляет значение 0), либо вниз (для значения 1), либо в любом другом промежуточном направлении, представляя таким образом суперпозицию состояний.

Образец был изготовлен при температуре всего 4 градуса выше абсолютного нуля и помещён в магнитное поле. Для создания состояния суперпозиции и изменения направления спинов ядер физики использовали дополнительные магнитные поля.
При температуре -269 °С спины ядер около 37% всех ионов оставались в состоянии суперпозиции на протяжении трёх часов, а при температуре 25 °С — на протяжении 39 минут (иллюстрация Karl G. Nyman/CC BY).

При низкой температуре (-269 °С) спины ядер около 37% всех ионов оставались в состоянии суперпозиции на протяжении трёх часов. Когда же температуру повысили до комнатной, то этот показатель упал до 39 минут, что стало рекордом для подобного рода экспериментов.

"Продолжительность "жизни" квантовых состояний в нашем эксперименте, как минимум, на порядок превышает ту, которой удалось достичь авторам предыдущих исследований. Мы создали поистине высокопроизводительные кубиты", — пишет Симмонс в пресс-релизе оксфордского университета.

Следующий этап масштабного исследования, возможно, будет ещё более трудным. В данном случае 10 миллиардов ионов фосфора находились в одинаковом квантовом состоянии. Для выполнения расчётов, однако, физики должны будут поместить различные кубиты в разных состояния.

Статья с результатами исследования вышла в журнале Science.