Пара колеблющихся ионов, охлаждающих один одного — идеальный кубит

Помимо целого ряда причин, скорому появлению квантовых компьютеров, превосходящих по вычислительной мощности современные суперкомпьютеры, мешает еще то, что квантовые биты, кубиты, могли до последнего времени сохранять свое квантовое состояние не более одной минуты. А недавно группе исследователей из Китая удалось совершить прорыв в этой области. Созданные ими кубиты могут сохранять свою стабильность на протяжении 10 минут, а весь секрет заключается в специальной ионной ловушке, которая сама по себе может стать важной составляющей частью будущих квантовых компьютеров и коммуникационных сетей.

Во время самых первых экспериментов с квантовыми битами, в которых в качестве одного кубита использовались многочисленные группы атомов или ионов, пойманные в магнитную ловушку, ученым легко удавалось получить время сохранения стабильного состояния кубита более 10 минут. Однако, когда позже дело дошло до использования в качестве кубитов отдельных ионов, ситуация со временем сохранения стабильности резко ухудшилась. И самым лучшим временем, которое удалось получить ученым до последнего момента, было время чуть менее одной минуты.

Ученые из университета Цинхуа (Tsinghua University), возглавляемые Кихван Кимом (Kihwan Kim), выяснили причину, почему первые ранние эксперименты с квантовыми битами давали более лучшие результаты. Многочисленные группы ионов заключались в магнитных ловушках физической величины, гораздо большей, чем величина ловушек для одиночных ионов. Помимо этого, электроды, используемые для анализа состояния кубитов ранее, находились на достаточно большом удалении от группы ионов. Проведенные учеными расчеты показали, что в условиях первых экспериментов ионы кубитов получали извне в несколько миллионов раз меньшее количество тепла, которое заставляет ионы колебаться, что приводит к разрушению хрупкого состояния квантовой суперпозиции.

Для того, чтобы не дать тепловой энергии «раскачать» единственный ион кубита, ученые поместили в ловушку положительно заряженный ион бария-138 рядом с главным ионом иттербия-171. Эти ионы располагаются столь близко, что ион иттербия, в случае получения некоторого количества нежелательной тепловой энергии извне, толкает ион бария, отдавая ему часть своей кинетической энергии и охлаждаясь при этом. Помимо такого необычного охлаждения, исследователи использовали метод подавления шума магнитного поля, которое удерживает ион в ловушке. И все эти вместе взятые меры позволили достичь рекордного на сегодняшний день времени сохранения квантового стояния кубита на базе единственного иона.

В своих дальнейших исследованиях китайские ученые будут пытаться еще сильней подавить шум магнитного поля ионной ловушки, установив специальные экранирующие и стабилизирующие поле щиты. Учеными уже был проведен ряд экспериментов, в которых шум от магнитного поля был подавлен намного сильней, нежели во время проведения их первых экспериментов, но время сохранения стабильного квантового состояния так и осталось на отметке в 10 минут. «Сейчас мы уже не уверены, что тепловой нагрев ионов является главной проблемой» — рассказывает Кихван Ким, — «Я надеюсь, что скоро мы определим главного виновника и найдем метод борьбы с ним, что позволит нам получить еще более длительное время сохранения стабильности».