Квантовые вычисления требуют поиска все более совершенных носителей квантовой информации — кубитов, способных хранить и передавать квантовые состояния без потерь на декогеренцию. Традиционно для этой цели используются сверхпроводники, ионы в ловушках или спины электронов в квантовых точках. Однако исследовательская группа из Института квантовой оптики Макса Планка под руководством доктора Мартина Цеппенфельда и первого автора Максимилиана Лёва предложила новый путь: использовать полярные полиатомные молекулы, такие как формальдегид.
Ключ к успеху этого подхода — использование пар вырожденных вращательных квантовых состояний молекул, соответствующих вращению по часовой и против часовой стрелки. Эти состояния практически неотличимы по большинству физических признаков, что обеспечивает исключительную защиту от внешних возмущений. Как отмечает Цеппенфельд: «Основной особенностью этой архитектуры является то, что один кубит хранится в молекулярной степени свободы, которая хорошо изолирована...».
Для хранения и манипуляции квантовой суперпозицией исследователи применили уникальные методы охлаждения и захвата. Электростатическая ловушка с микроструктурированными электродами использует постоянный дипольный момент молекулы, позволив захватывать их в нужных состояниях. Для охлаждения до сверхнизких температур используется оптоэлектрическое охлаждение типа «Сизиф», что существенно снижает тепловые шумы.
Измерения квантовых суперпозиций в таких условиях требуют особого подхода. Из-за ограниченного оптического доступа в ловушке команда применила радиочастотное излучение — оно выборочно удаляет одно из суперпозиционных состояний. Внешнее магнитное поле создает разбалансировку популяций, а ее динамика позволяет наблюдать квантовые осцилляции и оценить время когерентности.
Экспериментальные результаты впечатляют: если в стандартной ловушке квантовая суперпозиция разрушается менее чем за одну наносекунду, то в микроструктурированной ловушке для обычных пар состояний это время увеличено до примерно 100 наносекунд. Однако для пар противоположных вращательных состояний достигнута когерентность порядка 100 микросекунд — прирост в миллион раз. Как подчеркивает Цеппенфельд: «Уникальные свойства нашей ловушки позволяют увеличить возможное время когерентности для обычной пары состояний до примерно 100 наносекунд, а одинаковая зависимость от величины электрического поля для обеих состояний в каждой из наших пар фактически позволяет нам наблюдать когерентность порядка 100 микросекунд...».
Этот результат обусловлен не только уникальной ловушкой, но и самой природой противоположных вращательных состояний: их близость по свойствам обеспечивает защиту суперпозиции даже в шумной среде. Такое явление получило название симметрийно-защищенного хранения кубитов.
Реализация кубитов на базе «квази-скрытых» степеней свободы открывает путь к созданию мультикубитных архитектур внутри одной молекулы: в каждом молекулярном объекте можно независимо использовать несколько изолированных степеней свободы для хранения и обработки информации. Следующий этап — разработка методов инициализации, манипуляции и чтения кубитов в различных степенях свободы, а также реализация квантовых вентилей между ними.
Данный подход может сделать полярные молекулы конкурентоспособной платформой для квантовых вычислений: «Относительно значения нашей работы я надеюсь, что в будущем удастся полностью реализовать квази-скрытые степени свободы как платформу для квантовых вычислений...» — отмечает Цеппенфельд.
Несмотря на успешные эксперименты, дальнейшее финансирование пока не получено, а сообщество только начинает осознавать возможности этого направления. Ведутся теоретические работы в Австрии и США, где разрабатываются аналогичные концепции использования скрытых степеней свободы в молекулах.
Опыт более чем двадцатилетней работы с холодными и сверххолодными молекулами позволил команде Макса Планка реализовать эксперимент, который может стать основой нового класса квантовых устройств, где каждая молекула — это кубит и полноценный многокубитный процессор.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключ к успеху этого подхода — использование пар вырожденных вращательных квантовых состояний молекул, соответствующих вращению по часовой и против часовой стрелки. Эти состояния практически неотличимы по большинству физических признаков, что обеспечивает исключительную защиту от внешних возмущений. Как отмечает Цеппенфельд: «Основной особенностью этой архитектуры является то, что один кубит хранится в молекулярной степени свободы, которая хорошо изолирована...».
Для хранения и манипуляции квантовой суперпозицией исследователи применили уникальные методы охлаждения и захвата. Электростатическая ловушка с микроструктурированными электродами использует постоянный дипольный момент молекулы, позволив захватывать их в нужных состояниях. Для охлаждения до сверхнизких температур используется оптоэлектрическое охлаждение типа «Сизиф», что существенно снижает тепловые шумы.
Измерения квантовых суперпозиций в таких условиях требуют особого подхода. Из-за ограниченного оптического доступа в ловушке команда применила радиочастотное излучение — оно выборочно удаляет одно из суперпозиционных состояний. Внешнее магнитное поле создает разбалансировку популяций, а ее динамика позволяет наблюдать квантовые осцилляции и оценить время когерентности.
Экспериментальные результаты впечатляют: если в стандартной ловушке квантовая суперпозиция разрушается менее чем за одну наносекунду, то в микроструктурированной ловушке для обычных пар состояний это время увеличено до примерно 100 наносекунд. Однако для пар противоположных вращательных состояний достигнута когерентность порядка 100 микросекунд — прирост в миллион раз. Как подчеркивает Цеппенфельд: «Уникальные свойства нашей ловушки позволяют увеличить возможное время когерентности для обычной пары состояний до примерно 100 наносекунд, а одинаковая зависимость от величины электрического поля для обеих состояний в каждой из наших пар фактически позволяет нам наблюдать когерентность порядка 100 микросекунд...».
Этот результат обусловлен не только уникальной ловушкой, но и самой природой противоположных вращательных состояний: их близость по свойствам обеспечивает защиту суперпозиции даже в шумной среде. Такое явление получило название симметрийно-защищенного хранения кубитов.
Реализация кубитов на базе «квази-скрытых» степеней свободы открывает путь к созданию мультикубитных архитектур внутри одной молекулы: в каждом молекулярном объекте можно независимо использовать несколько изолированных степеней свободы для хранения и обработки информации. Следующий этап — разработка методов инициализации, манипуляции и чтения кубитов в различных степенях свободы, а также реализация квантовых вентилей между ними.
Данный подход может сделать полярные молекулы конкурентоспособной платформой для квантовых вычислений: «Относительно значения нашей работы я надеюсь, что в будущем удастся полностью реализовать квази-скрытые степени свободы как платформу для квантовых вычислений...» — отмечает Цеппенфельд.
Несмотря на успешные эксперименты, дальнейшее финансирование пока не получено, а сообщество только начинает осознавать возможности этого направления. Ведутся теоретические работы в Австрии и США, где разрабатываются аналогичные концепции использования скрытых степеней свободы в молекулах.
Опыт более чем двадцатилетней работы с холодными и сверххолодными молекулами позволил команде Макса Планка реализовать эксперимент, который может стать основой нового класса квантовых устройств, где каждая молекула — это кубит и полноценный многокубитный процессор.
