Квантовый «телеграф»: Ученые зафиксировали передачу состояний между удаленными кубитами

07.01.2025 19:55

А вы когда-нибудь задумывались о том, как далеко могут «общаться» друг с другом элементарные частицы? Не в теории, а на практике? Представьте себе: крошечные «магнитики», спины электронов, разделенные расстоянием, которое по меркам микромира просто огромно, начинают обмениваться информацией. Это не фантастика, а вполне реальное достижение, которое открывает новые горизонты в квантовых вычислениях.

Зачем квантовому компьютеру «дальняя связь»?

Квантовые компьютеры — это не просто более мощные калькуляторы. Это машины, которые работают по законам квантовой механики и могут решать задачи, недоступные для классических компьютеров. Главная «изюминка» квантового компьютера — это кубит, квантовый аналог бита, который может хранить не только 0 или 1, но и их суперпозицию, некое промежуточное состояние.

Иллюстрация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Но для того, чтобы квантовый компьютер был по-настоящему мощным, нужно научиться «связывать» эти кубиты, заставляя их взаимодействовать друг с другом. А вот тут и возникает проблема: большинство квантовых систем «общаются» только на очень малых расстояниях. И как создать квантовый компьютер, если кубиты не могут взаимодействовать между собой на достаточном удалении друг от друга?

Электронный «шепот» через сверхпроводящий мостик

Исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах, похоже, нашли решение. Они разработали метод, позволяющий двум электронным спинам общаться на расстоянии 250 микрометров — это, поверьте, целая пропасть в мире атомов. Как же им это удалось?

Всё дело в «мосте», построенном из сверхпроводящего резонатора. Это устройство выступает в роли посредника. В чём же фокус?

a, Ложноцветное оптическое изображение устройства, используемого в данной работе, показывающее резонатор, заземленные плоскости и веерное расположение затворов DQDs. Микроволновые порты входа/выхода используются для исследования передачи через резонатор, а кран постоянного тока используется для смещения общего верхнего затвора Res (на рисунках b и c) двух DQD. b. Изображение сканирующей электронной микроскопии DQD с тем же дизайном, что и измеренный DQD1, показывающее рисунок затвора и микромагниты сверху. c. Изображение сканирующей электронной микроскопии аналогичного DQD без микромагнитов, чтобы показать полную схему затвора DQD2. Пунктирные линии очерчивают микромагниты измеренного устройства. Затворы, выделенные ложным цветом на рисунках b и c, — это плунжерные затворы Res и Pi, туннельно-барьерные затворы Bi и Ti и боковые затворы RPi и LPi. d, Схема архитектуры дальнего спин-спинового взаимодействия. Синие и красные линии обозначают дисперсионную и резонансную связи, соответственно. Сплошные линии представляют прямые связи — зарядово-фотонную электродипольную связь и спин-зарядную связь, обеспечиваемую градиентами микромагнита. Эти связи используются для зондирования зарядовой восприимчивости DQD, что позволяет настроить DQD на точку вырождения и на электродипольный спиновый резонанс, соответственно. Пунктирными линиями обозначены косвенные спин-фотонные связи, позволяющие осуществлять дисперсионное считывание спина. Пунктирная линия указывает на косвенную связь второго порядка, то есть спин-спиновую связь, опосредованную виртуальными фотонами, которая позволяет осциллу iSWAP Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8

Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Источник: www.nature.com

Представьте себе два микроскопических маятника, каждый из которых «привязан» к своей электронной частице. Теперь, если один маятник начинает колебаться, его энергия передаётся другому через этот сверхпроводящий мостик, как эхо, только гораздо точнее и в квантовом масштабе.

Квантовые «качели» во времени

Ученые использовали хитрый метод: они «возбудили» один из спинов, а другой оставили в спокойном состоянии. И вот тут началось самое интересное: спины стали «перекидываться» энергией. Когда один спин переходил в основное состояние, второй мгновенно переходил в возбужденное, и наоборот.

a, Последовательность импульсов для измерения осцилляций iSWAP, начиная с |10〉. Оба кубита инициализируются в |00〉 путем релаксации в точке зарядового вырождения. Затем кубит 2 изолируется в левой точке на 500 нс, в течение которых к кубиту 1 прикладывается π-импульс. Через 10 нс на кубит 2 снова подается импульс, и оба спина взаимодействуют друг с другом в течение тинта. После интервала взаимодействия кубит 2 изолируется в левой точке на 1 мкс, где релаксация ожидается более медленной, в то время как кубит 1 считывается с помощью зондирующего сигнала длительностью 400 нс. Затем кубит 1 изолируется в левой точке, а кубит 2 считывается с помощью зондирующего сигнала длительностью 400 нс. b, Точки данных показывают измеренное (изменение) пропускание, представляющее популяцию спин-ап для каждого спина, начиная с |10〉. Каждая точка данных усреднена по 106 временам. Здесь gs, 1(2)/2π ≈ 21,5 МГц и Δ2s, 1(2)/2π ≈ 65,5 МГц. Сплошные линии представляют собой подгонку к дисперсионной модели гамильтониана уравнения (1) (с добавлением шума; Дополнительный раздел D), из которой мы извлекаем силу взаимодействия 2J/2π, равную 11,6 +- 0,2 МГц. c, Последовательность импульсов, аналогичная приведенной в a, но начиная с |01〉. d, Аналогичные данные и подгонка, как в b, но начиная с |01〉. Здесь мы извлекаем 2J/2π = 11,8 +- 0,2 МГц. Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8

Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Источник: www.nature.com

Это колебание, эти «качели» квантовых состояний были зафиксированы во времени. Это как если бы два «партнера» в танце обменивались ролями в точно заданном ритме. Именно наблюдение этих временных колебаний стало ключевым достижением исследования.

a, b, осцилляции iSWAP d, с увеличением gs, 1(2)/2π до ~31,9 МГц. Подогнанные частоты колебаний теперь составляют 21,4 +- 0,3 МГц (a) и 21,3 +- 0,3 МГц (b). c, d, колебания iSWAP, аналогичные показанным на рис. 3b, d, с gs, 1(2)/2π, увеличенным до ~31,9 МГц, и Δ2s, 1(2)/2π, увеличенным до ~89 МГц. Здесь подогнанные частоты составляют 18,2 +- 0,4 МГц (c) и 18,7 +- 0,3 МГц (d). В a-d точки данных и сплошные линии представляют собой измерения и подгонку. Слабые сплошные линии воспроизводят (измененные) сплошные линии. Точки данных в a-d усреднены по 106 временам. e, осцилляции iSWAP как функция угла магнитного поля ϕ при Br = 52,3 мТл, начиная с |01〉 и считывания кубита 1. Виден шевронный узор, как обсуждается в основном тексте. f, Осцилляции iSWAP в зависимости от угла магнитного поля, аналогичные приведенным в e, но считывание кубита 2. Оси ϕ для e и f установлены на ϕ = 0, при котором колебания происходят медленнее всего. Фактические точки ϕ = 0 не совпадают, возможно, из-за небольшой разницы в намагниченности микромагнита между измерениями для e и f. Точки данных в e и f усреднены по 4,5 x 105 раз. Цитирование: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Cavity-mediated iSWAP oscillations between distant spins. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02694-8

Автор: Dijkema, J., Xue, X., Harvey-Collard, P. et al. Источник: www.nature.com

Что это значит для будущего?

Это открытие не просто любопытный научный факт. Оно открывает дорогу к созданию масштабируемых квантовых компьютеров. Теперь у нас есть шанс строить сложные квантовые схемы, соединяя кубиты на больших расстояниях, как «кирпичики».

Но на этом ученые не останавливаются. Следующий шаг — изучение взаимодействия спинов с реальными фотонами в резонаторе. Это откроет новые возможности для управления квантовыми системами и, возможно, приблизит нас к созданию полноценного квантового компьютера, способного решать самые сложные задачи, которые подбрасывает нам Вселенная. Так что, следим за развитием событий. Квантовый мир полон сюрпризов.