Физики увеличили время когерентности в ультрахолодных молекулах

Британские физики смогли существенно увеличить время когерентности в ультрахолодных полярных молекулах RbCs, пойманных в оптические ловушки. Для этого они нашли оптимальное значение индукции магнитного поля, а также угла между ней и поляризацией лазера, формирующего ловушку. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Квантовая когерентность — это важнейший ресурс, который современная физика пытается накопить и увеличить. Она характеризует способность квантовых систем сохранять суперпозиционные свойства, которые необходимы для множества квантовых технологий. Говоря о пользе когерентности, чаще всего упоминают квантовые вычисления и квантовые симуляции. Подробнее о роли квантовой когерентности в создании квантовых компьютеров вы можете прочитать в интервью с Алексеем Федоровым из Российского квантового центра.

Вопрос потери когерентности — декогеренции — встает перед любыми физиками или инженерами, пытающимися создать кубит — базовый элемент квантового вычислителя. На сегодняшний день существует несколько основных реализаций кубита, и для каждой из них декогеренция становится ограничивающим фактором при создании квантового компьютера. По этой причине ученые продолжают поиск систем хранения квантовой информации, время когерентности которых было бы достаточно большим.

Не так давно в качестве одного из кандидатов на роль кубитов были предложены ультрахолодные полярные молекулы, удерживаемые в оптических ловушках. Преимуществом таких объектов стала их сильная связь друг с другом посредством управляемого диполь-дипольного взаимодействия, а также богатая колебательно-вращательная структура. До недавнего времени, однако, вопрос декогеренции в таких кубитах был исследован очень слабо.

Группа британских физиков при участии Джереми Хатсона (Jeremy Hutson) из Даремского университета решила закрыть этот пробел, изучив, как долго хранится когерентность в ультрахолодных молекулах RbCs, и от чего это время зависит. Им удалось выявить главные источники декогеренции и подавить их, в результате чего время когерентности существенно выросло по сравнению с предыдущими исследованиями.

Для этого физики приготавливали около трех тысяч молекул RbCs при температуре 700 нанокельвин в оптической ловушке. В качестве пары кубитовых состояний они использовали состояния (0,4)₁ и (0,3)₀ (|0> и |1>, соответственно), где первое число обозначает вращательное квантовое число молекулы, второе — проекция полного углового момента на ось магнитного поля, а индекс нумерует состояния по энергии. Переводя молекулы в состояние равной суперпозиции, авторы отслеживали, как долго оно существует, по свойствам осцилляций Рамси.

В первую очередь авторы выяснили, что на декогеренцию влияет разность взаимодействия каждого уровня с магнитным полем. Оказалось, что для выбранной пары состояний подбором величины поля можно избежать этого фактора. В частности, для значения индукции магнитного поля, равного 154 гаусс, время когерентности удалось увеличить до 1,2 секунды.

Затем физики определили, что другой важный вклад в декогеренцию дает динамический эффект Штарка от лазерного поля ловушки, а точнее разница в тензорной поляризуемости в паре состояний. Чтобы его избежать, они выставили угол между поляризацией света и магнитным полем, равный примерно 55 градусам. Такой угол называется «магическим», а его численное значение следует из равенства нулю присоединенного полинома Лежандра второго порядка, который входит в формулу для поляризуемости.

Применив оба улучшения с экспериментальной схеме, физики не смогли зафиксировать прямой потери когерентности в течение 1,2 секунды. Такое ограничение по времени вызвано коротким временем жизни самих молекул. Вместо этого они воспользовались косвенным подходом к анализу слабых сигналов, с помощью которого оценили нижнюю границу времени когерентности, равную 5,6 секундам, с достоверностью 95 процентов. Вместе с тем, предполагая, что остаточная декогеренция будет обусловлена флуктуациями амплитуды поля и отклонениями от магического угла, авторы вычислили, что это время должно быть равно 40 секундам.

Ученые обратили внимание на то, что соударения молекул не дают вклад в декогеренцию. Главной причиной этого они назвали то, что соударения приводят в первую очередь к распаду молекул, который, в свою очередь, ограничивает прямое измерение времени когерентности и ее использование. Авторы видят решение этой проблемы в других конфигурациях ловушек и в экранировке столкновений.

Холодные молекулы активно изучаются физиками в последнее время. Недавно мы писали, как холодные молекулы защищают от распада с помощью микроволнового излучения и электрических полей.

Марат Хамадеев