Квантовые компьютеры — системы, обрабатывающие информацию с использованием квантово-механических эффектов, — могут превосходить классические системы в некоторых задачах. Вместо хранения информации в виде битов, как в классических компьютерах, они используют так называемые кубиты — единицы информации, которые могут одновременно существовать в суперпозиции состояний 0 и 1.
Исследователи из Университета Париж-Сакле, Китайского университета Гонконга и других институтов разработали новую платформу для квантовых вычислений, использующую собственный угловой момент (то есть спин) ядер атомов вольфрама-183 (¹⁸³W) в качестве кубитов.
Их система, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, обеспечивает длительное время когерентности и совместима с существующими платформами для обработки квантовой информации на основе сверхпроводников.
Эммануэль Флюрин, старший автор статьи, рассказал Phys.org: «В течение десятилетий магнитный резонанс — ЯМР и ЭПР — был рабочей лошадкой физики, химии и биологии. Это одна из первых платформ, использованных для демонстрации основных протоколов квантовых вычислений. Однако в своей традиционной форме он по своей природе макроскопичен: сигналы настолько слабы, что обычно требуется ансамбль порядка 10¹⁵ атомов или более, чтобы что-то обнаружить».
В рамках своего исследования Флюрин и его коллеги поставили цель повысить чувствительность платформ для квантовых вычислений на основе магнитного резонанса, чтобы наблюдать физические процессы на уровне отдельных атомов, сохраняя при этом их квантовую когерентность. Для этого они объединили магнитный резонанс со сверхпроводящими материалами, которые, как известно, очень чувствительны к электромагнитным сигналам.
«Основная цель статьи — показать, что эта комбинация эффективно реализует квантовую версию магнитного резонанса», — сказал Флюрин. «Мы можем обнаруживать, контролировать и создавать запутанные состояния отдельных ядерных спинов в твёрдом теле с временем когерентности в несколько секунд в устройстве размером с чип, совместимом с микроволновыми квантовыми технологиями».
Система квантовой обработки информации, представленная этой группой исследователей, может рассматриваться как сверхчувствительная версия спектрометра магнитного резонанса, управляемая законами квантовой механики. Она построена с использованием сверхпроводящих схем. Кубиты, на которых основана система, — это ядерные спины атомов ¹⁸³W в кристалле вольфрамата кальция CaWO₄.
Каждый из этих ядер находится рядом с ионом редкоземельного элемента Er³⁺, который несёт неспаренный спин электрона. «Спин электрона гораздо легче манипулировать и обнаруживать, чем спин ядра, поэтому он действует как вспомогательный элемент или усилитель для спина ядра», — пояснил Флюрин.
Исследователи поместили кристалл CaWO₄ на сверхпроводящий микроволновой резонатор — устройство, которое хранит микроволновые фотоны (то есть частицы света) и может использоваться для управления квантовыми состояниями. Этот резонатор ранее был размещён на чипе. Затем команда поместила всё устройство в так называемый разбавительный холодильник и охладила его до нескольких милликельвин.
«Резонатор в сочетании с очень чувствительным микроволновым детектором делает установку достаточно чувствительной, чтобы крошечный магнитный сигнал одиночного спина электрона — и, через него, одиночного спина ядра — стал измеримым», — сказал Флюрин. «Ключевым аспектом является то, что наш метод опирается только на магнитно-резонансные свойства спинов. Нам не нужны какие-либо дополнительные оптические переходы (как в NV-центрах) или особые электрические свойства (как у доноров в полупроводниках)».