Новые кубиты хранят информацию в десять тысяч раз дольше предшественников

Физики создали кубиты (квантовые биты), которые хорошо поддаются управлению и долго сохраняют информацию. Новая технология может открыть путь к большим и мощным квантовым компьютерам.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

Вести.Ru подробно рассказывали о том, кто такое квантовые компьютеры и кубиты. Напомним об этом в двух словах.

Квантовый компьютер хранит данные не в виде битов, принимающих только значения 0 или 1, а в виде квантовых битов (кубитов), которые могут находиться сразу в нескольких промежуточных состояниях. За счёт этого квантовый компьютер может хранить и обрабатывать гораздо больше информации, чем классический. Однако за это приходится расплачиваться: квантовые системы очень малы и весьма чувствительны к малейшим колебаниям внешних условий. Поэтому для их функционирования требуется дорогостоящее оборудование.

При этом в качестве кубита потенциально можно использовать любую достаточно маленькую систему, которая способна "жить" по законам квантовой механики (например, отдельный атом или даже электрон). Другое дело, что не все кубиты, как и йогурты, одинаково полезны: они различаются тем, насколько легко ими управлять, как долго они хранят информацию и так далее.

Исследователей давно привлекают спин-орбитальные кубиты. В них для хранения информации используется взаимодействие между спином электрона (образно говоря, его вращением вокруг своей оси) и его орбитальным движением вокруг ядра атома. Такие кубиты очень чувствительны к окружающим электрическим полям. Это одновременно и преимущество, и недостаток.

С одной стороны, такими системами очень удобно управлять с помощью электрического поля, а это важно для создания больших квантовых компьютеров. С другой, кубиты откликаются не только на управляющее поле, но и на слабые электрические поля, присутствующие вокруг и создающие шумы. Эти помехи быстро стирают закодированную в кубите информацию. До сих пор рекорд продолжительности её хранения составлял всего лишь одну микросекунду. Это слишком мало для практического применения.

Теперь же международная команда учёных создала спин-орбитальные кубиты, сохраняющие данные в десять тысяч раз дольше: до десяти миллисекунд.

Физики использовали кристалл кремния, в который были внедрены атомы бора. Ядра бора способны "похищать" электроны у атомов кремния. Там, где электрон покинул своё законное место в кристаллической решётке, образуется так называемая дырка.

Эти дырки во многих отношениях ведут себя как частицы с положительным зарядом, так что их относят к квазичастицам (мы подробно объясняли, что это такое). Дырки, как и электроны, имеют спин ("вращение вокруг своей оси") и орбитальное движение.

Первый автор статьи Такаси Кобаяси (Takashi Kobayashi) из Университета Тохоку сравнивает устройство нового кубита с соединением шестерней в часах. Большая шестерня имитирует орбитальное движение дырки, а сцепленная с ней маленькая – её спин. Эту аналогию иллюстрирует приведённое ниже изображение.

Схематическое изображение нового кубита. Голубыми сферами показаны атомы кремния, жёлтой полусферой – атом бора. Синяя стрелка показывает орбитальное движение дырки, красная – её спин.

Исследователи снизили чувствительность кубита к электрическим полям, деформировав кристалл кремния.

"В этой работе мы настроили чувствительность нашего спин-орбитального кубита к электрическому полю, растягивая кристалл кремния, как резинку", – говорит Кобаяси.

Разумеется, кремний не так легко поддаётся деформации, как резина. Но даже небольшого растяжения оказалось достаточно, чтобы кубит стал менее восприимчивым к электрическому полю. Это позволило ему дольше сохранять информацию.

С другой стороны, чувствительность к полю осталась достаточно высокой, чтобы её можно было использовать для управления кубитами. То есть физики избавились от недостатков спин-орбитальных кубитов, сохранив их достоинства.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о "тёплых" кубитах для дешёвых квантовых компьютеров. Писали мы и о кубитах, полученных в материале для бытовой электроники.

  • Автор: Анатолий Глянцев
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "IT"