Иллюстрация: S. Burchesky et al / Physical Review Letters. Физикам удалось достичь очень значительного увеличения полного времени когерентности простых кубитов на основе ультрахолодных молекул до 100 миллисекунд, что превосходит показатели предыдущих исследований более чем в десять раз. Такой результат был получен авторами работы благодаря эффективному подавлению шумов в магнитном поле и оптимизированной ориентации магнитных и сильных электрических полей относительно друг друга. Полученные результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters, а также доступны в виде предварительной печати (препринта). Согласно принципам квантовой механики, все связанные микросистемы обладают дискретным энергетическим спектром. Сложность системы растёт с увеличением количества её элементов. Энергетические уровни атомов преимущественно определяются электронной конфигурацией, дополняясь незначительными поправками на взаимодействия, чувствительные к орбитальным и спиновым состояниям электронов и ядра.
В молекулах наблюдается значительно более сложная структура энергетических уровней, обусловленная колебаниями ядер относительно друг друга и вращением в молекуле.
Оказалось, что эти колебательные и вращательные уровни хорошо подходят для хранения и обработки квантовой информации. В случае же, когда молекула полярная, то есть обладает собственным дипольным моментом, ее проще связывать с соседями для образования квантовой запутанности и ею проще манипулировать. Однако, как и многие другие физические реализации кубитов, состояния молекул подвержены декогеренции, то есть, потере квантовой информации. Для увеличения времени когерентности их очень сильно охлаждают и помещают в оптические ловушки, но пока физикам удалось достичь времени, не превышающего 10 миллисекунд (про похожее исследование мы недавно писали), хотя для нужд квантовых вычислений оно должно быть существенно больше.
Шон Бурчески (Sean Burchesky) из Кембриджского университета с коллегами из США и Южной Кореи сообщили о том, что им удалось десятикратно увеличить это время, сохраняя когерентность вращательных уровней в молекуле CaF, удерживаемой оптическим пинцетом. Такой результат был получен благодаря тщательному анализу причин декогеренции и борьбе с ними. В частности, авторы применили уникальную систему подавления флуктуаций магнитного поля, а также избавились от сдвигов, вызываемых электрическим полем лазера пинцета с помощью правильной конфигурации установки.
В качестве состояний кубита физики использовали пару вращательных уровней |N = 0; J = 1/2; F = 1; mf = 0> и |N = 1; J = 1/2; F = 0; mf = 0> из разрешенной сверхтонкой структуры. Перед началом каждого экспериментального цикла одиночные молекулы, захваченные лазерным пинцетом с длиной волны 780 нанометров, готовились в верхнем состоянии. Затем они облучались парой микроволновых π/2-импульсов с контролируемым интервалом времени между ними. Первый импульс поворачивал вектор состояния кубита в экваториальную плоскость сферы Блоха (то есть в равную квантовую суперпозицию), в пределах которой возникала его свободная эволюция, в то время как второй импульс возвращал его к одному из пары исходных состояний. В конце населенность состояния молекулы измерялась с помощью интерферометрии Рамси. Контраст осцилляций Рамси характеризует степень когерентности, а его уменьшение в e раз – искомое время.
Использованная в эксперименте последовательность импульсов и соответствующая эволюция двухуровневой системы, описанная с помощью сферы Блоха. S. Burchesky et al / Physical Review Letters
Сначала физики рассмотрели постоянное магнитное поле как источник декогеренции. Благодаря конфигурации выбранной пары уровней, на них оказывал влияние только квадратичный зеемановский сдвиг. Однако даже он вызывал помехи из-за флуктуаций поля, вызванных шумами в источниках питания и дробовыми шумами. Для борьбы с ними авторы применили активное шумоподавление, которое заключалось в синхронной компенсации флуктуаций поля с помощью дополнительного зонда, помещенного недалеко от молекулы.
Затем ученые проанализировали влияние переменных электрических полей лазерного пинцета. Для их компенсации физики создавали такой режим, при котором сдвиги, вызванные магнитным полем, оказывались сопоставимы с поправками на тензорную поляризуемость. Выбрав правильный угол между магнитным полем и направлением поляризации света (магический угол), они смогли скомпенсировать влияние полей и довести время когерентности до 93±7 миллисекунд при температуре молекулы пять микрокельвин.
Авторы отмечают, что даже несмотря на использование магических углов, остаточная дифференциальная поляризуемость мешает продлить время когерентности выше сотни миллисекунд. Одним из выходов они назвали применение более коротких квантовых вентилей, что позволит производить несколько тысяч операций над кубитами за это время. Физики также отметили универсальность предложенных ими улучшений, которые могут быть применены к широкому классу молекул.
Холодные молекулы – не единственные кандидаты в кубиты. Мы уже рассказывали, как время когерентности твердотельных спиновых кубитов было увеличено до десятков миллисекунд, а также о том, как радиация ограничила время когерентности сверхпроводящих кубитов четырьмя миллисекундами.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
