Физики создали квантовые состояния кота Шрёдингера

Австралийские ученые создали квантовые состояния кота Шрёдингера и продемонстрировали возможность управления ими. Для этого они использовали ядра сурьмы со спином 7/2, встроенные в кремниевое наноэлектронное устройство. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Квантовые вычисления стремительно развиваются, ученые создают для них как более эффективные устройства, как и более совершенные методы, в частности для контроля за ошибками. Особый интерес вызывают кудиты — системы с высокой размерностью. По мнению физиков, их можно использовать для кодирования логических кубитов с возможностью исправления ошибок. В частности, высокоразмерные системы можно использовать для реализации состояний кота Шрёдингера — суперпозиций широко смещенных когерентных состояний. Такие состояния можно использовать для иллюстрации квантовых эффектов в больших масштабах, кроме того, они устойчивы к потерям между удаленными модами. Однако их практическое создание в атомных масштабах оставалось сложной задачей.

Группа физиков под руководством Андреа Морелло (Andrea Morello) смогла создать квантовые состояния кота Шрёдингера. Для этого ученые использовали восьмимерное пространство состояний ядерного спина 7/2 сурьмы-123 (¹²³Sb), встроенного в кремниевое устройство. Само устройство состояло из изотопически обогащенного кремния с низким содержанием шумящих ядерных изотопов, что обеспечивало высокую когерентность. При этом только состояния |±7/2⟩ оказывались спин-когерентными состояниями. Чтобы приготовить эти состояния, физики рассчитали необходимые фазы и частоты и использовали мультичастотное радиочастотное управление и метод вращающихся рамок, при помощи которых зануляли все спиновые состояния, кроме |±7/2⟩. В результате исследователи успешно создали суперпозицию крайних спиновых состояний |+7/2⟩ и |-7/2⟩, что и является квантовым аналогом кота Шрёдингера.

При этом физики использовали два альтернативных метода создания состояний кота Шрёдингера. Первый основан на вращениях Гивенса, при котором из состояния |-7/2⟩ последовательными частотными импульсами придаются вращения между парами восходящих состояний до возникновения состояния |+7/2⟩. Второй метод позволял изменять фазы суперпозиционных состояний без физического воздействия на систему. По словам ученых этот метод стал ключевым в их работе. В нем после применения первого вращения отправлялась инструкция на программируемую вентильную матрицу для одновременного переопределения фаз. В результате мгновенно и без ошибок в рамках доступного временного разрешения в четыре наносекунды реализовывалась одноосная динамика скручивания, которая также приводила к возникновению состояния |+7/2⟩.

Эксперимент продемонстрировал высокую точность операций и длительное время когерентности системы, более 15 миллисекунд. Степень совпадения с теоретическим описанием (fidelity) для первого метода составила около 88 процентов, а для второго — около 91, а параметр контраста колебаний составил 0,88 и 0,98 соответственно.

По словам физиков, подобные устройства могут применяться при масштабировании квантовых вычислительных систем и для повышения их устойчивости к ошибкам.

Ранее мы писали, как ученые заставили танцевать котов Шрёдингера.