Время когерентности молекулярных кубитов повысили на порядок

S. Burchesky et al / Physical Review Letters, 2021

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 писали), 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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.