Сцепление атомов вместе дает квантовое хранилище

Новая система опирается на ядерные спины — угловой момент ядра атома — колеблющиеся в совокупности как спиновая волна. Это коллективное колебание эффективно связывает несколько атомов для хранения информации.

Иллюстрация художника изображает квантовый спин иона иттербия с окружающим кристаллом ортованадата иттрия. Спиновые состояния атомов могут быть использованы в качестве блока обработки (как транзисторы на компьютерном чипе). Используя иттербий для одновременного управления четырьмя атомами ванадия, инженеры смогли реализовать 2-кубитный процессор, важный строительный блок в развитии квантовых компьютеров и квантовых сетей. Фото: MAAYAN ВИЗУАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Работа, которая описана в статье, опубликованной 16 февраля в журнале Nature, использует квантовый бит (или кубит), сделанный из иона иттербия (Yb), редкоземельного элемента, также используемого в лазерах. Команда, возглавляемая Андреем Фараоном, профессором прикладной физики и электротехники, внедрила ион в прозрачный кристалл ортованадата иттрия (YVO4) и манипулировала его квантовыми состояниями с помощью комбинации оптического и микроволнового полей. Затем команда использовала Yb-кубит для управления ядерными спиновыми состояниями нескольких окружающих атомов ванадия в кристалле.

«Основываясь на нашей предыдущей работе, было известно, что одиночные ионы иттербия являются отличными кандидатами для оптических квантовых сетей, но нам нужно было связать их с дополнительными атомами. Мы демонстрируем это в этой работе», — говорит Фараон, соавтор статьи в Nature.

Устройство было изготовлено в Институте нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте, а затем протестировано при очень низких температурах в лаборатории Фараона.

Новая техника использования запутанных ядерных спинов в качестве квантовой памяти была вдохновлена методами, используемыми в ядерном магнитном резонансе (ЯМР).

«Для хранения квантовой информации в ядерных спинах мы разработали новые методы, аналогичные тем, которые используются в ЯМР-машинах, используемых в больницах», — говорит Джунхи Чой, постдокторант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи. «Основная проблема заключалась в том, чтобы адаптировать существующие методы для работы в отсутствие магнитного поля».

Уникальной особенностью этой системы является предопределенное размещение атомов ванадия вокруг кубита иттербия, как предписано кристаллической решеткой. Каждый кубит, измеренный командой, имел идентичный регистр памяти, что означает, что он будет хранить одну и ту же информацию.

«Способность воспроизводимо и надежно построить технологию является ключом к ее успеху», — говорит аспирант Андрей Рускуц, первый автор статьи. «В научном контексте это позволило нам получить беспрецедентное представление о микроскопических взаимодействиях между кубитами иттербия и атомами ванадия в их среде».

Это исследование является частью более широких усилий лаборатории Фараона, чтобы заложить основу для будущих квантовых сетей.

Квантовые сети будут соединять квантовые компьютеры через систему, которая работает на квантовом, а не классическом уровне.

Теоретически квантовые компьютеры однажды смогут выполнять определенные функции быстрее, чем классические компьютеры, используя специальные свойства квантовой механики, включая суперпозицию, которая позволяет квантовым битам хранить информацию в виде 1 и 0 одновременно.

Как и в случае с классическими компьютерами, инженеры хотели бы иметь возможность подключать несколько квантовых компьютеров для обмена данными и совместной работы, создавая «квантовый интернет».

Это откроет двери для нескольких приложений, включая возможность решать вычисления, которые слишком велики, чтобы обрабатываться одним квантовым компьютером, а также создание нерушимо безопасных коммуникаций с использованием квантовой криптографии.