Физики обнаружили, что вибрирующие атомы создают прочные кубиты

Физики Массачусетского технологического института открыли новый квантовый бит, или «кубит», в виде вибрирующих пар атомов, известных как фермионы. Они обнаружили, что когда пары фермионов охлаждаются и задерживаются в оптической решетке, частицы могут существовать одновременно в двух состояниях — странное квантовое явление, известное как суперпозиция. В этом случае атомы находились в суперпозиции двух колебательных состояний, в которых пара колебалась друг относительно друга, одновременно раскачиваясь синхронно.

Команда смогла поддерживать это состояние суперпозиции среди сотен вибрирующих пар фермионов. При этом они получили новый «квантовый регистр» или систему кубитов, которая кажется надежной в течение относительно длительных периодов времени. Открытие, опубликованное сегодня в журнале Природа, демонстрирует, что такие шаткие кубиты могут стать многообещающей основой для будущих квантовых компьютеров.

Кубит представляет собой базовую единицу квантовых вычислений. В то время как классический бит в современных компьютерах выполняет ряд логических операций, начиная с одного из двух состояний, 0 или 1, кубит может существовать в суперпозиции обоих состояний. Находясь в этом деликатном промежуточном состоянии, кубит должен иметь возможность одновременно взаимодействовать со многими другими кубитами и обрабатывать несколько потоков информации одновременно, чтобы быстро решать проблемы, на решение которых классическим компьютерам потребовались бы годы.

Существует много типов кубитов, некоторые из которых созданы инженерами, а другие существуют в природе. Известно, что большинство кубитов непостоянны: они либо не могут поддерживать свою суперпозицию, либо не желают взаимодействовать с другими кубитами.

Для сравнения, новый кубит команды Массачусетского технологического института кажется чрезвычайно надежным, способным поддерживать суперпозицию между двумя вибрационными состояниями даже среди окружающего шума до 10 секунд. Команда считает, что новые вибрирующие кубиты можно заставить кратковременно взаимодействовать и потенциально выполнять десятки тысяч операций в мгновение ока.

«По нашим оценкам, взаимодействие этих кубитов должно занимать всего миллисекунду, поэтому мы можем надеяться на 10 000 операций в течение этого времени когерентности, что может конкурировать с другими платформами», — говорит Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка. . «Итак, есть конкретная надежда на то, чтобы заставить эти кубиты выполнять вычисления».

Цвирляйн является соавтором статьи вместе с ведущим автором Томасом Хартке, Ботондом Орегом и Нинъюань Цзя, которые являются членами Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

Счастливые случайности

Открытие команды изначально произошло случайно. Группа Цвирляйна изучает поведение атомов при сверххолодных сверхнизких плотностях. Когда атомы охлаждаются до температур, в миллион раз превышающих температуру межзвездного пространства, и изолируются при плотности в миллион раз меньше плотности воздуха, могут возникать квантовые явления и новые состояния материи.

В этих экстремальных условиях Цвирляйн и его коллеги изучали поведение фермионов. Технически фермион определяется как любая частица с нечетным полуцелым спином, такая как нейтроны, протоны и электроны. На практике это означает, что фермионы колючи по своей природе. Никакие два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние — свойство, известное как принцип запрета Паули. Например, если один фермион вращается вверх, другой должен вращаться вниз.

Электроны являются классическими примерами фермионов, и их взаимное исключение Паули отвечает за структуру атомов и разнообразие периодической таблицы элементов, а также стабильность всей материи во Вселенной. Фермионы также представляют собой атомы любого типа с нечетным числом элементарных частиц, поскольку эти атомы также естественным образом отталкивают друг друга.

Группа Цвирляйна изучала фермионные атомы калия-40. Они охладили облако фермионов до 100 нанокельвинов и использовали систему лазеров для создания оптической решетки, в которую можно заманить атомы. Они настроили условия так, чтобы каждая яма в решетке захватила пару фермионов. Первоначально они заметили, что при определенных условиях каждая пара фермионов движется синхронно, как одна молекула.

Для дальнейшего исследования этого колебательного состояния они дали толчок каждой паре фермионов, затем сделали флуоресцентные изображения атомов в решетке и увидели, что время от времени большинство квадратов в решетке темнели, отражая пары, связанные в молекулу. Но по мере того, как они продолжали визуализировать систему, атомы, казалось, периодически появлялись снова, что указывало на то, что пары колебались между двумя квантовыми колебательными состояниями.

«В экспериментальной физике часто бывает, что у вас есть какой-то яркий сигнал, а в следующий момент он отправляется в ад, чтобы никогда больше не вернуться», — говорит Цвирляйн. «Здесь потемнело, но потом снова стало светло, и так повторяется. Это колебание показывает, что существует когерентная суперпозиция, развивающаяся с течением времени. Это был счастливый момент».

“А низкий гул”

После дальнейших изображений и расчетов физики подтвердили, что фермионные пары поддерживают суперпозицию двух колебательных состояний, одновременно двигаясь вместе, как два маятника, качающихся синхронно, а также относительно друг друга или против друг друга.

«Они колеблются между этими двумя состояниями с частотой около 144 герц», — отмечает Хартке. «Это частота, которую вы можете услышать, как низкий гул».

Команда смогла настроить эту частоту и контролировать колебательные состояния пар фермионов на три порядка, применяя и изменяя магнитное поле с помощью эффекта, известного как резонанс Фешбаха.

«Это похоже на два невзаимодействующих маятника, и, применяя магнитное поле, мы создаем пружину между ними и можем изменять силу этой пружины, медленно раздвигая маятник», — говорит Цвирляйн.

Таким образом, они смогли одновременно манипулировать примерно 400 фермионными парами. Они заметили, что как группа кубиты сохраняли состояние суперпозиции до 10 секунд, прежде чем отдельные пары перешли в одно или другое колебательное состояние.

«Мы показываем, что имеем полный контроль над состояниями этих кубитов», — говорит Цвирляйн.

Чтобы создать функциональный квантовый компьютер с использованием вибрирующих кубитов, команде придется найти способы управления отдельными парами фермионов — проблема, к решению которой физики уже близки. Более сложной задачей будет найти способ взаимодействия отдельных кубитов друг с другом. Для этого у Цвирляйна есть несколько идей.

«Это система, в которой мы знаем, что можем заставить два кубита взаимодействовать», — говорит он. «Есть способы снизить барьер между парами, чтобы они сходились, взаимодействовали, а затем снова разделялись примерно на одну миллисекунду. Таким образом, есть четкий путь к двухкубитному вентилю, который вам понадобится для создания квантового компьютера».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, стипендией факультета Ванневара Буша и Фондом Александра фон Гумбольдта.