Физики создали кубит из радиоактивного изотопа бария
Одним из наиболее популярных типов кубитов в прототипах квантовых компьютеров являются ионы металлов, удерживаемые в специальной ионной ловушке с помощью лазерного охлаждения. Однако необходимая для удержания длина волны лазера приводит к снижению эффективности такого кубита. Чтобы решить эту проблему, американские физики предложили вместо стабильных изотопов в качестве кубитов использовать радиоактивный изотоп бария с большим периодом полураспада. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Кубит — единичный элемент хранения информации в квантовом компьютере. В качестве кубитов чаще всего используются сверхпроводниковые кольца с джозефсоновским контактом или отдельные ионы, которые захватываются специальными ионными ловушками и удерживаются в них с помощью лазерного охлаждения. Подробно о кубитах в квантовых компьютерах мы писали в одном из наших недавних материалов.
Использовать в качестве кубитов ионы щелочноземельных (и подобных им по электронной структуре) металлов предложили из-за возможности довольно легко менять с помощью микроволнового излучения их сверхтонкую структуру. А меняя сверхтонкую структуру, можно управлять квантовым состоянием такого ионного кубита. Лучше всего для этого подходят ионы с полуцелым спином ядра, который приводит к формированию пары состояний, для которых проекции полного момента вдоль магнитного поля равна нулю. Кубиты с такими квантовыми состояниями оказываются хорошо защищены от магнитного поля и могут удерживать когерентное состояние дольше 10 минут. Однако из всех устойчивых изотопов лишь три иона — кадмия, ртути и иттербия — обладают нужным (полуцелым) спином ядра и такой электронной структурой, что длина волны лазера, необходимого для охлаждения, находится относительно близко к видимой области. Но для всех из этих ионов для охлаждения необходимо использовать коротковолновое ультрафиолетовое излучение, что не всегда возможно внутри сложных архитектур квантовых компьютеров, и сильно ограничивает расстояние, на которое может передаваться квантовая информация.
В своей работе физики предложили вместо естественных изотопов использовать для создания кубита синтезированный искусственный изотоп бария-133 с временем полураспада около 10 лет. Ион 133Ba+ обладает уникальной комбинацией свойств: с одной стороны он обладает необходимым ядерным спином 1/2, а с другой — электронной структурой с энергией переходов в видимой части спектра.
В качестве источника бария ученые использовали кислотный раствор хлорида бария (II), содержащий 2 процента нужного изотопа. Из него с помощью лазерной абляции в ионные ловушки захватывались ионы бария. Основная трудность заключалась в том, чтобы удержать в ионной ловушке только необходимый изотоп бария-133 со спином 1/2. Для этого была использована частотная селективность лазерного нагревания и охлаждения. Используя различия в сверхтонкой структуре энергетических уровней ионов разных изотопов, ученые смогли таким образом удерживать в ионной ловушке правильные изотопы и выгонять из нее неправильные.
Зафиксировав в ионной ловушки только необходимые ионы 133Ba+, ученые смогли исследовать сверхтонкую структуру энергетических уровней нужного иона. Полученные спектры подтвердили, что такие ионы действительно можно использовать в качестве кубитов. При этом физикам удалось зарегистрировать ранее неизвестное сверхтонкое расщепление уровня 52D3/2.
Таким образом, было показано, что и ионы нестабильных изотопов могут быть использованы в качестве кубитов в квантовых компьютерах. Скорее всего, благодаря лазерному охлаждению с использованием излучения в видимой области, новая методика поможет создать более эффективные квантовые компьютеры, чем были предложены ранее на основе ионов иттербия.
Александр Дубов
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.