Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра впервые подробно изучили нейтральные атомы тулия как перспективную платформу для квантовых вычислений.
Специалисты исследовали свойства этого элемента в качестве кубитов – битов квантовой информации – и продемонстрировали возможности эффективного управления их квантовым состоянием – как с помощью микроволнового излучения, так и посредством лазеров. Научная статья опубликована в топовом журнале PRX Quantum.
«Атомы тулия привлекательны тем, что позволяют на одной платформе реализовать протоколы, которые характерны как для щелочных (например, рубидий и цезий), так и для щелочноземельных (стронций, иттербий и др.) элементов. Подобно первым, кубиты на основе тулия демонстрируют надежность и точность квантовых операций внутри сверхтонкой структуры. Подобно вторым – открывают возможности для управления энергетическими состояниями атомов с помощью оптического излучения. Это, в свою очередь, позволяет реализовать широкий спектр квантовых алгоритмов», – рассказал один из разработчиков, научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Денис Мишин.
Также, добавил он, специалистов привлекает большое время когерентности, то есть возможности долго сохранять свое квантовое состояние. Это может существенно повысить качество квантовых операций, а также позволяет реализовать протоколы промежуточного хранения квантовой информации – как в оперативной памяти обычных компьютеров.
Как пояснили разработчики, тулий – это редкоземельный элемент с богатой энергетической структурой. Преимущества этих атомов, как основы для квантовых вычислений, связаны с возможностью кодировать кубиты в сверхтонких подуровнях основного состояния атома. Это две близких компоненты его энергетической структуры, которые отличаются тем, как ориентированы магнитные моменты ядра и электронов: либо «в одну сторону», либо «в разные». Причем разница в энергии между ними соответствует очень узкому диапазону – микроволновой частоте в 1497 МГц. Воздействуя на этой частоте, можно «переключать» кубит, то есть управлять его квантовым состоянием.
При этом подуровни почти не реагируют на колебания внешнего магнитного поля. В результате информация, записанная в таком кубите, может храниться десятки секунд, что для квантового мира считается почти вечностью.
«Главным достижением работы стало удержание стабильного квантового состояния до 55 секунд. Это одно из лучших значений, когда-либо продемонстрированных в мире. Также, мы предложили метод «переключения» кубитов между основным состоянием и метастабильным (с временем жизни 112 миллисекунд). Это позволяет защитить квантовую информацию от помех и реализовать ряд протоколов для дополнительного повышения точности квантовых вычислений», – поделился соавтор исследования, директор ФИАН академик Николай Колачевский.
По словам ученого, примечательно также, что все эксперименты проводили на установке, которую изначально создали для разработки компактных сверхточных оптических часов на основе атомов тулия. Это говорит о том, что атомы тулия – это многофункциональная платформа, перспективная для самых разных направлений в квантовых технологиях.