Kubitų kvantinės informacijos išlaikymo trukmės rekordas pagerintas 10 000 kartų

Pasirodo, pasinaudojant mechaninėmis priemonėmis galima pagerinti netgi kvantinių įrenginių savybes.

Tarptautinės tyrėjų komandos pastangomis, kvantiniai bitai – kubitai, – kvantinę informaciją gali išlaikyti daug ilgiau. Tyrėjai būsenos išlaikymo, koherencijos, laiką padidino iki 10 milisekundžių – 10 000 kartų ilgiau nei ankstesnis rekordas – sujungdami atomo orbitinį judėjimą ir sukimąsi jo viduje. Toks informacijos išlaikymo laiko padidėjimas itin svarbus informacinių technologijų plėtrai, kadangi dėl ilgo koherencijos laiko sukinio-orbitos kubitai yra idealūs kandidatai kurti didelius kvantinius kompiuterius.

Akceptoriumi paremto sukinio-orbitos kubito koncepcija. Boro atomas (geltonas) implantuotas silicio kristale (mėlyna) apriboja skylę. Skylės orbitinis judėjimas silicyje suporuotas su jos sukinio laisvės laipsniu. Toks suporavimas primena dantračius, kur apskritiminis judėjimas (mėlyna rodyklė) ir sukimasis (raudona rodyklė) yra sujungti. Kvantinė informacija koduojama jungtiniu skylės judėjimu ir sukimusi sukinio-orbitos kubite.
© Takashi Kobayashi, Tohoku University

Savo rezultatus tyrėjai paskelbė „Nature Materials“ žurnale.

„Sukūrėme sukinio-orbitos kubitą, naudodami įkrautą dalelę, kuri atrodo kaip skylė, užimta pašaliniu atomu silicio kristale, – paaiškino tyrimo vyr. autorius Dr. Takashi Kobayashi, mokslo darbuotojas Naujojo Pietų Velso universitete ir Tohoku universiteto asist. profesorius. – Orbitinis judėjimas ir skylės sukimasis yra stipriai suporuoti ir surakinti. Tai primena porą dantračių, kur surakintas apskritiminis judėjimas ir sukimasis.“

Kubitai jau buvo koduojami įelektrintos dalelės sukiniu ar orbitiniu momentu, nes taip suteikiami skirtingi pranašumai, kurie, kuriant kvantinius kompiuterius yra labai svarbūs. Kad išnaudotų tokių kubitų pranašumus, Kobayashi su komanda kubitui sukurti specialiai panaudojo egzotišką elektringą dalelę, „skylę“ silicyje, kadangi skylių orbitinis judėjimas ir sukimasis silicyje yra suporuotas.

Pasak Kobayashi, skylėmis koduojami sukinio-orbitos kubitai yra itin jautrūs elektros laukams, todėl galima juos sparčiau kontroliuoti ir tai padeda didinti kvantinius kompiuterius. Tačiau tokius kubitus veikia elektros laukų triukšmai, kas riboja jų koherencijos laikas.

„Šiame darbe pakeitėme mūsų sukinio-orbito kubito jautrumą elektros laukui, ištempdami silicio kristalą kaip guminę juostą, – sakė Kobayashi. –Tokia mechanine sukinio-orbitos kubito inžinerija pavyko įspūdingai pratęsti koherencijos laiką, tuo pat metu išlaikant sukinio-orbitos kubito kontroliavimui būtiną elektrinį jautrumą.“

Pamąstykime apie dantračius laikrodyje. Kiekvieno atskiro jų sukimasis varo laiką rodantį mechanizmą. Informaciją teikia ne sukimasis, ne orbitinis judėjimas, o jų kombinacija.

„Šie rezultatai atveria kelią naujų kvantinių sistemų kūrimui ir sukiniu pagrįstų kvantinių technologijų funkcionalumo tobulinimui“, – sako Kobayashi.

Tohoku University / scitechdaily.com
Nuoroda: „Engineering long spin coherence times of spin–orbit qubits in silicon“ by Takashi Kobayashi, Joseph Salfi, Cassandra Chua, Joost van der Heijden, Matthew G. House, Dimitrie Culcer, Wayne D. Hutchison, Brett C. Johnson, Jeff C. McCallum, Helge Riemann, Nikolay V. Abrosimov, Peter Becker, Hans-Joachim Pohl, Michelle Y. Simmons and Sven Rogge, 20 July 2020, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-020-0743-3.