Как с помощью источника шума повысить надёжность хранения кубитов

Когда вы записываете бит на нормальный компьютер, то полагаете, что он там и останется, пока вы его не перепишете. Однако в компьютере квантовом это затруднительно: любые взаимодействия кубита с его окружением (включая эффекты «шумов») могут привести к изменению его значения. Из-за этого большинство кубитов живёт лишь миллисекунды...

Исследователи во главе с Ричардом Хэнсоном (Ronald Hanson) из Делфтского технологического университета (Нидерланды) придумали, как использовать «шум» для более длительной стабилизации кубита. Для этого они работали с вроде бы традиционными азотными вакансиям в алмазе. Поскольку у азота лишь три ковалентные связи (вместо четырёх у углерода), при нахождении в алмазе у него появляются неспаренные электроны, с коими можно действовать как с кубитами, записывая и считывая их с помощью световых импульсов.

Типичное устройство, используемое для контроля азотных вакансий в алмазе (фото Walsworth research group / Harvard).

Шум среды легко влияет на нечто столь невесомое, как электрон, однако спин электрона может взаимодействовать со спином ядра атома азота, вокруг которого такие электроны вращаются. Ядерный спин куда стабильнее и может сравнительно долго (по нынешним кубитным меркам) хранить информацию. Увы, спины окружающих азотный атом атомов углерода непрерывно воздействуют на азотный, «сбивая» записанный кубит.

В новой работе предлагается заставлять взаимодействовать спин неспаренных электронов атома азота с ядром не только собственного атома, но и окружающих углеродных. Для этого световые импульсы, взаимодействующие с этими электронами, надо посылать с такими промежутками, чтобы вызвать резонанс между их колебаниями и одними из близких атомов углерода. Просто сдвигая тайминги импульсов, можно добиться переключения взаимодействия на другой соседний атом шестого элемента.

Таким образом исследователям удалось экспериментально превратить одну азотную вакансию в алмазе сразу в три кубита: один — в ядре атома азота, а два других — в близлежащих ядрах атомов углерода.

Записывая во все три одну и ту же информацию, можно сделать простейшую коррекцию «по большинству». Хотя такие коррекции пока не дают идеальных результатов, это лишь первая попытка, и уже намечены пути дальнейшего повышения надёжности метода, который, впрочем, и так эффективнее любого традиционного. В то же время нельзя не заметить, что работа проводилась при комнатных условиях, и при сверхнизких температурах, которые сегодня использует большинство квантовых мини-компьютеров, длительность такого хранения выросла бы многократно.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Nanotechnology.

Подготовлено по материалам Ars Technica.

Александр Березин