Редкоземельные металлы помогут физикам построить большие квантовые сети
Американские физики впервые реализовали высококогерентный контроль и считывание одиночных ионов иттербия, помещенных в оптический резонатор. Этот эксперимент открывает дорогу к созданию масштабных квантовых сетей, основанных на ионах. Работа представлена в журнале Nature.
Распределение квантовой запутанности на большие расстояния по оптическим квантовым сетям — это один из ключевых протоколов квантовой криптографии и распределенных квантовых вычислений. Твердотельные источники запутанности, связанные с оптическими резонаторами, являются перспективными кандидаты для реализации масштабируемых квантовых сетей. В частности, физики исследовали такие системы, как квантовые точки и дефекты в алмазе или карбиде кремния.
Однако, до сих пор масштабирование твердотельных систем остается под вопросом — центральной проблемой является поиск систем с контролируемыми когерентными оптическими и спиновыми переходами. Не так давно было обнаружено, что редкоземельные металлы в кристалле обладают достаточно когерентностью и, теоретически, могут быть связаны с оптическим резонатором.
Группа американских физиков под руководством профессора Андрея Фараона (Andrei Faraon) использовала ионы иттербия, изготовленные в кристалле, для демонстрации высокой когерентности спинового состояния и быстрого считывания состояния в оптическом резонаторе.
В качестве кубитного состояния, на основе которого строилась запутанность, ученые использовали связные состояния электрона с ядром иона. Возбуждение кубита происходило с помощью микроволнового излучения, а измерения производились с помощью дополнительного импульса, приложенного к возбужденному состоянию кубита, которое приводило к флюоресценции иона, только если кубит находился в возбужденном состоянии. Измерения проводились с помощью сверхпроводящего детектора фотонов в криостате растворения на температуре 40 милликельвин.
Оптический резонатор, в которой был помещен ион, позволяет когерентно контролировать квантовое состояние иона, что было экспериментально подтверждено с помощью оптических осцилляций Раби.
Построенная система обладает временем когерентности 30 миллисекунд — за это время фотоны могут пролететь тысячи километров по оптоволокну, что достаточно для создания масштабных квантовых сетей. Также ученые показали, что когерентность сохраняется и при температуре детектора 1,2 кельвина, что позволяет использовать дешевые гелиевые криостаты.
В последнее время физики много работают над созданием квантовой коммуникации. Недавно мы писали о том, что ученым из Китая впервые удалось запутать два узла квантовой памяти через оптоволокно длиной 50 километров, а группе из Швейцарии удалось построить рекордно длинную микроволновую квантовую связь. Подробнее про квантовую коммцникацию вы можете прочитать в нашем материале «Квантовая связь без лишнего шума».
Михаил Перельштейн
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».