Физики Казанского федерального университета провели исследование, посвященное разработке систем устойчивой квантовой памяти – сотрудники НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» и магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера.
Руководителем группы выступил научный сотрудник Фадис Мурзаханов. В состав команды вошли: доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Георгий Мамин, доцент кафедры общей физики Института физики КФУ Ирина Грачева главный научный сотрудник Марат Гафуров, младший научный сотрудник Маргарита Садовникова, научный-сотрудник Дарья Шуртакова, инженер-проектировщики Юлия Ермакова и Екатерина Дмитриева.
Исследование посвящено разработке систем устойчивой квантовой памяти. Она необходима для развития защищенных каналов связи и узлов хранения обработанной информации. Результаты опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.
Как сообщил Фадис Мурзаханов, основной сложностью во всем мире в данной области является крайняя нестабильность квантовых систем, поскольку любые внешние магнитные, и электрические поля, и атомные шумы (флуктуации) способны мгновенно уничтожить записанную полезную информацию.
В рамках исследования учеными было проведено селективное (выборочное) управление ядрами дальних атомов 13C, которые располагаются в пределах полупроводникового кристалла карбида кремния. Их особенность заключается в естественной им инертности и устойчивости к внешним воздействиям.
Эти элементы изначально защищены от окружающего электромагнитного шума и способны стабильно хранить информацию. Это избавляет от необходимости проводить сложную изотопную очистку всего материала. Тем не менее, для улучшений свойств кристалл был частично модифицирован немагнитными изотопами атомов кремния 28Si, – сообщил ученый.
В ходе экспериментов с использованием NV центров (дефектов в строении алмаза) исследователям удалось достичь ряда результатов.
Во-первых, впервые были получены ядерные осцилляции Рабби (обмен энергией между частицей и внешним электромагнитным полем) на дальних атомах углерода-13. Это подтверждает полный и когерентный контроль (управление поведением атомов или молекул с помощью сверхкоротких лазерных и радиочастотных импульсов) над их квантовым состоянием.
Во-вторых, ученые зафиксировали перераспределение интенсивностей на спектральных линиях азота-14 (¹⁴N), воспользовавшись методом тройного резонанса и насытив энергией ядерные переходы на углероде-13.
В-третьих, исследователи экспериментально установили косвенную магнитную связь между ядрами азота и углерода. Сделать данное открытие позволил параллельный мониторинг.
Наш эксперимент показал, что атомы азота и углерода в кристалле образуют сеть взаимосвязанных ядер через электронное облако NV центра, где воздействие на одно ядро влияет на другое, – уточнил Ф. Мурзаханов.
Оптимизировав измерительные методы, ученые смогли достигнуть контрастности считывания сигнала рекордных 35 процентов (чувствительность к обнаружению сигнала).
Практическая ценность исследования, по словам руководителя научной группы, заключается в поиске и проверке перспективных материалов, на основе которых в будущем физики или инженеры смогут собирать реальные квантовые устройства.
В первую очередь, полученные результаты закладывают основу для разработки долговечной квантовой памяти. Сейчас в научном мире происходит глобальный технологический сдвиг, связанный с переходом от нестабильных электронных кубитов к долгоживущим ядерным системам. Дело в том, что электроны слишком сильно реагируют на внешнюю среду и быстро теряют информацию, в то время как ядра атомов способны хранить данные значительно дольше. Наши эксперименты вносят прямой вклад в этот мировой тренд, доказывая, что ядра углерода-13 могут служить надежными микроскопическими сейфами для квантовой информации, – поделился руководитель научной команды.
По заявлению собеседника, развитие этой физической платформы поможет в будущем приблизиться к созданию абсолютно защищенного квантового интернета. Он в отличие от привычных сетей связи, данные которых можно перехватить и скопировать, кодирует информацию в квантовые состояния одиночных частиц, то есть каждую. Это делает сторонний несанкционированный контроль невозможным.
Исследование поведения ядерных спинов с использованием многофункционального спектрометра помогает понять, как именно можно будет передавать ценные данные на большие расстояния без искажений, – ввел в курс Мурзаханов.
Потенциальной пользой работы, по словам ученого, является выбор самого материала. Карбид кремния выпускается промышленностью в больших масштабах. Из него делают силовую электронику для зарядных станций и современных автомобилей.
«Это означает, что, если обнаруженные нами квантовые свойства удастся использовать при создании реальных компонентов памяти, их не придется производить на уникальном лабораторном оборудовании. Технологию можно будет адаптировать под те же самые заводы и производственные линии, где сегодня делают стандартную микроэлектронику для автомобилей и смартфонов, что значительно упростит внедрение квантовых технологий в будущем», – заверил он.
Ученый подытожил: главный фундаментальный вывод исследования заключается в полном подтверждении карбидом кремния своего статуса одного из самых перспективных сред для квантовых технологий.
Дальние ядра углерода-13 способны играть роль долгоживущих квантовых сейфов, а азот-вакансионные центры могут эффективно передавать им информацию и управлять их состояниями при фиксированном магнитном поле. Это открывает перед нами четкую дорожную карту для дальнейшей работы, – прокомментировал он.
Ближайшим шагом для научной группы станет масштабирование этой системы. Изучив детально взаимодействие одиночного электронного кубита с дальними ядрами углерода, исследователи планируют объединить их в полноценные многокубитные квантовые регистры. Это необходимо для того, чтобы проверить, насколько стабильно несколько связанных между собой ядерных спинов могут обмениваться данными и выполнять простейшие логические операции внутри кристалла.
Кроме того, важной задачей остается исследование температурных режимов. Мы хотим проверить пределы устойчивости обнаруженной нами связи между ядрами при более высоких температурах. Понимание этих физических механизмов позволит точнее оценить, насколько мы близки к тому, чтобы квантовая память могла стабильно функционировать без сложного лабораторного оборудования, приближая технологию к реальному повседневному использованию, – резюмировал Мурзаханов.
Источник: Минобрнауки России
