Физики из Йельского Университета, Университета Чикаго и Аргоннской Национальной Лаборатории создали устройство, способное считывать количество и, в перспективе, квантовое состояние электронов, левитирующих подобно «ховерборду» над сверхтекучим гелием. Прибор может стать основой для квантового вычислителя, роль кубитов в котором выполняют свободные электроны. Ученые отмечают, что время жизни таких квантовых систем может составлять сотни секунд, что также облегчает создание компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.
Ключевая задача для создания квантовых вычислителей — изоляция кубитов от внешней среды. Последняя способна разрушать их квантовое состояние, необходимое для вычислений, запуская процесс декогеренции. Более 15 лет назад была предложена схема таких изолированных квантовых элементов памяти, основанная на необычном взаимодействии между электронами и сверхтекучим гелием.
Если поместить электрон рядом со сверхтекучим гелием, то возникают две силы. Первая из них притягивает электрон к гелию, этот процесс аналогичен притяжению электрона к металлическим объектам. Вторая сила имеет более сложную природу и возникает из запрета Паули на нахождение двух электронов в одном квантовом состоянии. Сверхтекучий гелий же близок по своим свойствам к так называемому бозе-конденсату, в котором все частицы находятся в одном квантовом состоянии. В результате электрон оказывается левитирующим на высоте нескольких нанометров над поверхностью гелия.
С помощью электрического поля такие электроны можно дополнительно зафиксировать в одном из направлений. В результате образуется «кристаллическая решетка», состоящая из электронов-кубитов. Такая система слабо подвержена декогеренции, один из ее источников — слабые взаимодействия с рипплонами, рябью на поверхности гелия. Сами электроны при этом могут находиться в таком состоянии на протяжении суток. Однако до сих пор не существовало способа, с помощью которого можно было бы измерять, записывать состояние частиц или хотя бы определять их количество.
В новой работе авторы совместили левитирующие электроны со сверхпроводящим резонатором, расположенным рядом с ними. Ученые охладили систему до температуры лишь на 25 тысячных долей кельвина выше абсолютного нуля и поместили небольшое количество сверхтекучего гелия между электрическими контактами. Затем, с помощью вольфрамового электрода физики поместили над поверхностью гелия большое количество электронов. Частота резонатора, из-за малого расстояния между ним и электронами, начала изменяться, причем, чем больше электронов оказывалось над гелием, нем сильнее смещалась частота.
Ученые определили, какой сдвиг в частоте вызывает наличие одного электрона, что позволило точно подсчитывать количество левитирующих частиц. Физики обратили внимание, что величина сдвига достаточно велика, чтобы на ее основе определить колебательное состояние одного электрона. Именно колебательные состояния могут играть роль нулей и единиц в кубитах. Петер Рабл, автор заметки на Physics, эксперт из Венского Технологического Университета, отмечает, что такая система способна конвертировать квантовые состояния фотонов в колебательные состояния электронов при некоторой доработке устройства, что расширяет ее возможные применения. В частности, возможно создать принципиально новые состояния материи, основанные на контроле индивидуальных электронов в электронной решетке.
Владимир Королёв
