Физики из Университета Принстона и лаборатории HRL (Боинг) впервые обеспечили надежную передачу квантового состояния от одиночных электронов в кремниевом устройстве к фотонам, захваченным в сверхпроводящем резонаторе. По словам авторов, это поможет обеспечить связь и запутывание между удаленными кубитами в будущих квантовых компьютерах. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.
Квантовые компьютеры — устройства, выполняющие логические операции не с классическими битами, а с квантовыми, способными одновременно находиться в нескольких состояниях (например, одновременно быть на 25 процентов «нулем» и на 75 процентов — «единицей»). Такие вычислители позволяют гораздо быстрее справляться с задачами оптимизации, поиска и разложения целых чисел на простые множители.
В роли кубитов, или квантовых битов, ученые используют различные физические системы, способные существовать в суперпозиции состояний — сверхпроводящие кольца, холодные атомы щелочных металлов, искусственные атомы (квантовые точки) и многие другие. Для выполнения логических операций требуется наладить взаимосвязь между кубитами. Сейчас эта взаимосвязь возможна лишь между соседними ячейками. Один из путей для обеспечения этой связи — передача квантового состояния неподвижного кубита фотону.
Для этого необходимо реализовать режим сильной связи между кубитом и фотоном. В таких условиях передача квантового состояния должна происходить интенсивнее, чем рассеяние фотонов в резонаторе и чем исчезновение когерентности в кубите. Добиться эффективной передачи квантовой информации фотонам уже удалось для кубитов на основе атомов щелочных металлов, сверхпроводящих колец и оптических систем на основе квантовых точек. В новой работе физики показали эффективную передачу квантовой информации от одиночных электронов в двойных кремниевых квантовых точках к фотонам.
«В полупроводниковых устройствах этого никто не делал до нас, так как квантовое состояние разрушалось еще до того, как информация о нем могла быть передана» — рассказывает первый автор исследования, студент Принстонского университета Сяо Ми.
Устройство, в котором обеспечивается взаимодействие электрона с фотонами, выглядит следующим образом. Оно состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, в котором удерживаются кванты микроволнового излучения, а также многослойной структуры из кремния и кремния-германия, внутри которой находится пара квантовых точек. Провода, обеспечивающие питание устройства, также играли роль защиты от внешних излучений. Благодаря этому прибор обладал небольшим уровнем шумов — в 100-1000 раз меньше, чем его аналоги.
Квантовое состояние электрона, находящегося в двойной квантовой точке, содержало в себе информацию о том, на каком из двух возможных энергетических уровней он находится (на одном, или одновременно на двух). Положение электрона определялось напряжением, приложенным к устройству. Авторы надеются в будущем модифицировать прибор и передавать фотону состояние о спине электрона. Подобного результата недавно добилась группа американских физиков из университета Мэриленда — ученые использовали фотонные кристаллы.
Ранее физики уже предлагали использовать оптические резонаторы в квантовых компьютерах. К примеру, ученые из России, США и Германии показали, что в качестве платформы для создания квантовых вычислителей можно использовать алмазные волокна с полостями.
Владимир Королёв
