Время когерентности молекулярных кубитов повысили на порядок
Физики смогли увеличить время когерентности кубитов, созданных на базе ультрахолодных молекул, до ста миллисекунд, что на порядок больше, чем в предыдущих работах. Этого удалось достичь благодаря активному подавлению шума в магнитном поле и правильной ориентации магнитных и электрических полей относительно друг друга. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, доступен также препринт.
Квантовая механика предписывает всем связанным микросистемам обладать дискретным энергетическим спектром. При этом чем больше в системе элементов, тем она сложнее. Энергетические уровни атомов определяются в первую очередь электронной конфигурацией, обогащаясь небольшими поправками на взаимодействия, чувствительные к орбитальным и спиновым степеням свободы электронов и ядра. У молекул же возникает куда более сложная структура, в которую дают вклад колебания ядер относительно друг друга, а также вращения в молекуле.
Оказалось, что эти колебательные и вращательные уровни хорошо подходят для хранения и обработки квантовой информации. В случае же, когда молекула полярная, то есть обладает собственным дипольным моментом, ее проще связывать с соседями для образования квантовой запутанности и ею проще манипулировать. Однако, как и многие другие физические реализации кубитов, состояния молекул подвержены декогеренции, то есть, потере квантовой информации. Для увеличения времени когерентности их очень сильно охлаждают и помещают в оптические ловушки, но пока физикам удалось достичь времени, не превышающего 10 миллисекунд (про похожее исследование мы недавно Читать дальше), хотя для нужд квантовых вычислений оно должно быть существенно больше.
Шон Бурчески (Sean Burchesky) из Кембриджского университета с коллегами из США и Южной Кореи сообщили о том, что им удалось десятикратно увеличить это время, сохраняя когерентность вращательных уровней в молекуле CaF, удерживаемой оптическим пинцетом. Такой результат был получен благодаря тщательному анализу причин декогеренции и борьбе с ними. В частности, авторы применили уникальную систему подавления флуктуаций магнитного поля, а также избавились от сдвигов, вызываемых электрическим полем лазера пинцета с помощью правильной конфигурации установки.
В качестве состояний кубита физики использовали пару вращательных уровней |N = 0; J = 1/2; F = 1; mf = 0> и |N = 1; J = 1/2; F = 0; mf = 0> из разрешенной сверхтонкой структуры. Перед началом каждого экспериментального цикла одиночные молекулы, захваченные лазерным пинцетом с длиной волны 780 нанометров, готовились в верхнем состоянии. Затем они облучались парой микроволновых π/2-импульсов с контролируемым интервалом времени между ними. Первый импульс поворачивал вектор состояния кубита в экваториальную плоскость сферы Блоха (то есть в равную квантовую суперпозицию), в пределах которой возникала его свободная эволюция, в то время как второй импульс возвращал его к одному из пары исходных состояний. В конце населенность состояния молекулы измерялась с помощью интерферометрии Рамси. Контраст осцилляций Рамси характеризует степень когерентности, а его уменьшение в e раз – искомое время.
Сначала физики рассмотрели постоянное магнитное поле как источник декогеренции. Благодаря конфигурации выбранной пары уровней, на них оказывал влияние только квадратичный зеемановский сдвиг. Однако даже он вызывал помехи из-за флуктуаций поля, вызванных шумами в источниках питания и дробовыми шумами. Для борьбы с ними авторы применили активное шумоподавление, которое заключалось в синхронной компенсации флуктуаций поля с помощью дополнительного зонда, помещенного недалеко от молекулы.
Затем ученые проанализировали влияние переменных электрических полей лазерного пинцета. Для их компенсации физики создавали такой режим, при котором сдвиги, вызванные магнитным полем, оказывались сопоставимы с поправками на тензорную поляризуемость. Выбрав правильный угол между магнитным полем и направлением поляризации света (магический угол), они смогли скомпенсировать влияние полей и довести время когерентности до 93±7 миллисекунд при температуре молекулы пять микрокельвин.
Авторы отмечают, что даже несмотря на использование магических углов, остаточная дифференциальная поляризуемость мешает продлить время когерентности выше сотни миллисекунд. Одним из выходов они назвали применение более коротких квантовых вентилей, что позволит производить несколько тысяч операций над кубитами за это время. Физики также отметили универсальность предложенных ими улучшений, которые могут быть применены к широкому классу молекул.
Холодные молекулы – не единственные кандидаты в кубиты. Мы уже рассказывали, как время когерентности твердотельных спиновых кубитов было увеличено до десятков миллисекунд, а также о том, как радиация ограничила время когерентности сверхпроводящих кубитов четырьмя миллисекундами.
Марат Хамадеев
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.