Иллюстрация: Y. Chew et al. / Nature Photonic. Японские физики достигли значительного прорыва в области квантовых вычислений, осуществив обмен энергией между кубитами, основанными на ридберговских атомах, в наносекундном масштабе. Это достижение приближает ученых к фундаментальному пределу эффективности данной платформы. В перспективе это далее позволит проводить квантовые вычисления с более высокой скоростью, чем скорость декогеренции, которая разрушает квантовые состояния кубитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonic. Несмотря на разнообразие физических платформ, используемых для полноценной реализации квантовых компьютеров (сверхпроводящие кубиты, квантовые точки, NV-центры и другие), общие принципы их построения схожи. Основной проблемой остается декогеренция – разрушение хрупких квантовых состояний под воздействием шумов. Для борьбы с этим явлением физики разрабатывают различные методы изоляции кубитов. Важно отметить, что воздействие окружающей среды на кубиты имеет определенные частотные характеристики.
Это значит, что эффект от декогеренции можно свести к нулю, если успеть провести все необходимые операции достаточно быстро. Предел скорости формирования запутанных состояний определяется силой связи между кубитами. В случае с кубитами на основе ридберговских атомов, которые влияют друг на друга с помощью диполь-дипольного взаимодействия, он составляет гигагерцы, что соответствует наносекундному масштабу времени. Существующие методы запутывания ридберговских атомов основаны на методе ридберговской блокады, то есть ситуации, когда возбуждение одного кубита смещает энергетические уровни соседей, из-за чего доступ к ним с помощью внешнего воздействия подавляется. Типичные длительности этого механизма составляют доли микросекунд, что на два порядка больше, чем фундаментальный предел.
Достичь его в ридберговских атомах удалось японским физикам под руководством Кенджи Омори (Kenji Ohmori) из Национального института естественных наук. Для этого они возбуждали соседние ридберговские атомы пикосекундными импульсами и следили за возникающей при этом периодической квантовой динамикой, вызванной сильным диполь-дипольными взаимодействием. Оказалось, что за несколько наносекунд, составляющих половину периода осцилляций, возникает запутанное состояние двух атомов. Авторы использовали это, чтобы реализовать один из квантовых вентилей.
В эксперименте физики пленяли несколько атомов рубидия в массив оптических пинцетов (оптическую решетку), сформированных в фокальной плоскости объектива лазерным лучом с длиной волны 810 нанометров, предварительно пропущенным через голографическую систему. Управляя одним из ее компонентов, а именно бинарной фазовой решеткой, ученые меняли расстояния между атомами в диапазоне от 1,5 до 5 микрометров.
На первом этапе физики применяли каскадное возбуждение атомов сначала из основного |g>=|5S> состояния в возбужденное |e>=|5P> с помощью π-импульса на длине волны 780 нанометров, а затем в ридберговское |d>=|43D> с помощью π-импульса на длине волны 480 нанометров (похожую схему возбуждения недавно использовали американские физики, чтобы превратить ридберговские атомы в приемник видеосигнала). Оба импульса были поляризованы таким образом, чтобы результирующие состояния атомов обладали максимально возможной проекцией орбитального момента mL=2 для подавления лишних взаимодействий.
(a) Характерные временные масштабы в ридберговских атомах. Частота, характеризующая диполь-дипольное взаимодействие, много больше частоты ридберговской блокады. (b) Схема пленения атомов и последовательность импульсов для их возбуждения в ридберговское состояние и измерения населенности. (c) Флуоресцентное изображение атомов, плененных в парах в массиве оптических пинцетов. Y. Chew et al. / Nature Photonic
Когда два ридберговских атома оказывались возбуждены в состояние |d> диполь-дипольное взаимодействие перемешивало их с состояниями |p>=|45P> и |f>=|41F>. Это выражалось в фёрстеровских осцилляциях между двухкубитными незапутанным |dd> и запутанным (|pf⟩+|fp⟩)/√2 состояниями. Возвращая атомы в состояния |e> считывающим импульсом и измеряя сигнал спонтанного излучения для различных времен эволюции и расстояний между атомами, физики убедились в наличии таких осцилляций, а также в том, что они происходят на наносекундном масштабе.
В последней части своего исследования авторы использовали обнаруженных механизм, чтобы реализовать один из квантовых вентилей, а именно контролируемый Z-вентиль или просто CZ-вентиль. Этот вентиль меняет суперпозиционное состояние первого кубита с |0>+|1> на |0>–|1>, в зависимости от того, в каком состоянии второй кубит (состоянию |1> в случае ридберговских атомов ставится в соответствие состояние |d>). Чтобы реализовать вентиль, физики готовили один из атомов в состоянии |e>+|d> и следили за тем, как возбуждение второго атома меняет набег фазы в суперпозиции. С помощью интерферометрии Рамзея исследователи убедились, что нужный эффект возникает шесть с половиной наносекунд взаимодействия, что на два порядка быстрее методов на основе ридберговской блокады.
Ранее мы рассказывали, как нидерландские физики ускорили запутывание кубитов на основе NV-центров, разделенных расстоянием в два метра.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
