Квантовые компьютеры, работающие на принципах квантовой механики, обещают совершить революцию в различных областях, от медицины до финансов. Ключевым элементом этих компьютеров являются кубиты – квантовые биты информации. Ученые активно ищут способы создания надежных и стабильных кубитов, способных обеспечить скачок в вычислительных возможностях.
Одним из перспективных типов кубитов являются так называемые вакансионные центры олова в алмазе. Они формируются путем замены двух атомов углерода в кристаллической решетке алмаза одним атомом олова. Эти кубиты могут находиться в двух квантовых состояниях, условно обозначаемых как спин-вверх и спин-вниз, что позволяет использовать их для хранения и обработки информации.
Однако до недавнего времени существовала серьезная проблема: сигналы спина от этих кубитов были слабыми и размытыми, что затрудняло считывание их состояния. Как образно выразился Эрик Розенталь, один из исследователей, измерение спина было похоже на «попытку уловить очень и очень слабый световой сигнал». Для получения достоверных данных требовалось усреднение сотен измерений, что значительно ограничивало практическое применение таких кубитов для передачи информации.
Новаторское решение этой проблемы было найдено исследовательской группой из Стэнфордского университета под руководством профессора Елены Вучкович. Ученым удалось значительно усилить сигнал кубитов на основе вакансий олова. Они достигли впечатляющей точности 87% при считывании спинового состояния. Более того, им впервые удалось реализовать однократное считывание состояния кубита на основе вакансии олова, что является важным шагом вперед. Также был достигнут надежный контроль над спином кубита.
Результаты этого прорыва были опубликованы в журнале Physical Review X в 2023 году в статье под названием «Микроволновое спиновое управление кубитом на основе вакансии олова в алмазе» за авторством Эрика И. Розенталя и его коллег. Статья имеет DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031022.
Значение этого достижения трудно переоценить. Усиление сигнала позволяет в полной мере использовать преимущества кубитов на основе вакансий олова, такие как длительное время жизни и работоспособность при более высоких температурах. Последнее особенно важно, поскольку снижает затраты на охлаждение, обычно необходимые для работы квантовых систем. В совокупности эти факторы делают вакансионные центры олова крайне перспективными для создания квантового интернета будущего.
Квантовый интернет – это гипотетическая коммуникационная сеть, основанная на принципах квантовой механики. Для его создания необходимо обеспечить строгий контроль над спином кубитов, высокую достоверность определения их состояния и совместимость с существующей телекоммуникационной инфраструктурой. Благодаря последним достижениям, кубиты на основе вакансий олова рассматриваются как одни из наиболее многообещающих кандидатов для построения такой сети.
Ключевым «рычагом» управления в исследовании стала ориентация магнитного поля вокруг кубита. Точно настроив направление магнитного поля, ученые смогли усилить квантовый сигнал, подобно тому, как наклоняя зеркало можно эффективно отражать свет. Также была усовершенствована экспериментальная установка, в частности, расположение оптических приборов для возбуждения и считывания состояния кубитов. По словам Сувика Бисваса, исследователя из команды, это похоже на «создание камеры, способной видеть очень и очень слабые изображения».
На пути к этому прорыву исследователям пришлось преодолеть ряд инженерных трудностей, включая сложность переключения спина вакансии олова и общую сложность работы с алмазом. Тем не менее, они успешно справились с этими вызовами.
Ученые считают, что дальнейшая оптимизация алмазного устройства для сбора света может еще больше улучшить характеристики кубитов. Эрик Розенталь отметил, что текущие результаты, полученные с «неоптимизированной структурой», говорят о том, что с оловом как кубитом «легко работать».
В рамках исследования также были проведены так называемые «слабые измерения» квантовых состояний вакансий олова. Эти измерения позволили изучить, как сам процесс измерения спина влияет на поведение системы. Слабые измерения могут быть использованы для изучения взаимодействия кубита со светом и представляют собой пример применения квантовой механики для сенсорных технологий, применимых и к другим типам кубитов.
Исследование проводилось в Стэнфордском университете в сотрудничестве с Q-NEXT, национальным центром квантовой информационной науки Министерства энергетики США под руководством Аргоннской национальной лаборатории. Сандийские национальные лаборатории (также входящие в структуру Министерства энергетики США) оказали помощь в имплантации атомов олова в алмаз. Это многоорганизационное усилие подчеркивает кооперативный характер современной квантовой информационной науки.
Эрик Розенталь подчеркнул: «Мы не только можем измерить, находится ли кубит на основе вакансии олова в состоянии спин-вверх или спин-вниз, но и очень хорошо контролировать, находится ли он в состоянии спин-вверх, спин-вниз или где-то посередине. Я надеюсь, что наши методы будут полезны для всего научного сообщества». Сувик Бисвас добавил: «Во всех этих аспектах вакансия олова выглядит очень многообещающей в качестве развивающейся системы для квантового интернета. Она отвечает большинству критериев». И далее: «С техническими достижениями, достигнутыми в отношении центров вакансий олова, будущее алмазной квантовой технологии выглядит захватывающим».
Информация об исследовании была опубликована в новостной статье на 23 января 2025 года под заголовком «Усиленные сигналы кубитов на основе олова повышают перспективы квантовой связи», предоставленной Аргоннской национальной лабораторией. Статья была доступна 24 января 2025 года по адресу: .
Изображение носит иллюстративный характер
Одним из перспективных типов кубитов являются так называемые вакансионные центры олова в алмазе. Они формируются путем замены двух атомов углерода в кристаллической решетке алмаза одним атомом олова. Эти кубиты могут находиться в двух квантовых состояниях, условно обозначаемых как спин-вверх и спин-вниз, что позволяет использовать их для хранения и обработки информации.
Однако до недавнего времени существовала серьезная проблема: сигналы спина от этих кубитов были слабыми и размытыми, что затрудняло считывание их состояния. Как образно выразился Эрик Розенталь, один из исследователей, измерение спина было похоже на «попытку уловить очень и очень слабый световой сигнал». Для получения достоверных данных требовалось усреднение сотен измерений, что значительно ограничивало практическое применение таких кубитов для передачи информации.
Новаторское решение этой проблемы было найдено исследовательской группой из Стэнфордского университета под руководством профессора Елены Вучкович. Ученым удалось значительно усилить сигнал кубитов на основе вакансий олова. Они достигли впечатляющей точности 87% при считывании спинового состояния. Более того, им впервые удалось реализовать однократное считывание состояния кубита на основе вакансии олова, что является важным шагом вперед. Также был достигнут надежный контроль над спином кубита.
Результаты этого прорыва были опубликованы в журнале Physical Review X в 2023 году в статье под названием «Микроволновое спиновое управление кубитом на основе вакансии олова в алмазе» за авторством Эрика И. Розенталя и его коллег. Статья имеет DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031022.
Значение этого достижения трудно переоценить. Усиление сигнала позволяет в полной мере использовать преимущества кубитов на основе вакансий олова, такие как длительное время жизни и работоспособность при более высоких температурах. Последнее особенно важно, поскольку снижает затраты на охлаждение, обычно необходимые для работы квантовых систем. В совокупности эти факторы делают вакансионные центры олова крайне перспективными для создания квантового интернета будущего.
Квантовый интернет – это гипотетическая коммуникационная сеть, основанная на принципах квантовой механики. Для его создания необходимо обеспечить строгий контроль над спином кубитов, высокую достоверность определения их состояния и совместимость с существующей телекоммуникационной инфраструктурой. Благодаря последним достижениям, кубиты на основе вакансий олова рассматриваются как одни из наиболее многообещающих кандидатов для построения такой сети.
Ключевым «рычагом» управления в исследовании стала ориентация магнитного поля вокруг кубита. Точно настроив направление магнитного поля, ученые смогли усилить квантовый сигнал, подобно тому, как наклоняя зеркало можно эффективно отражать свет. Также была усовершенствована экспериментальная установка, в частности, расположение оптических приборов для возбуждения и считывания состояния кубитов. По словам Сувика Бисваса, исследователя из команды, это похоже на «создание камеры, способной видеть очень и очень слабые изображения».
На пути к этому прорыву исследователям пришлось преодолеть ряд инженерных трудностей, включая сложность переключения спина вакансии олова и общую сложность работы с алмазом. Тем не менее, они успешно справились с этими вызовами.
Ученые считают, что дальнейшая оптимизация алмазного устройства для сбора света может еще больше улучшить характеристики кубитов. Эрик Розенталь отметил, что текущие результаты, полученные с «неоптимизированной структурой», говорят о том, что с оловом как кубитом «легко работать».
В рамках исследования также были проведены так называемые «слабые измерения» квантовых состояний вакансий олова. Эти измерения позволили изучить, как сам процесс измерения спина влияет на поведение системы. Слабые измерения могут быть использованы для изучения взаимодействия кубита со светом и представляют собой пример применения квантовой механики для сенсорных технологий, применимых и к другим типам кубитов.
Исследование проводилось в Стэнфордском университете в сотрудничестве с Q-NEXT, национальным центром квантовой информационной науки Министерства энергетики США под руководством Аргоннской национальной лаборатории. Сандийские национальные лаборатории (также входящие в структуру Министерства энергетики США) оказали помощь в имплантации атомов олова в алмаз. Это многоорганизационное усилие подчеркивает кооперативный характер современной квантовой информационной науки.
Эрик Розенталь подчеркнул: «Мы не только можем измерить, находится ли кубит на основе вакансии олова в состоянии спин-вверх или спин-вниз, но и очень хорошо контролировать, находится ли он в состоянии спин-вверх, спин-вниз или где-то посередине. Я надеюсь, что наши методы будут полезны для всего научного сообщества». Сувик Бисвас добавил: «Во всех этих аспектах вакансия олова выглядит очень многообещающей в качестве развивающейся системы для квантового интернета. Она отвечает большинству критериев». И далее: «С техническими достижениями, достигнутыми в отношении центров вакансий олова, будущее алмазной квантовой технологии выглядит захватывающим».
Информация об исследовании была опубликована в новостной статье на 23 января 2025 года под заголовком «Усиленные сигналы кубитов на основе олова повышают перспективы квантовой связи», предоставленной Аргоннской национальной лабораторией. Статья была доступна 24 января 2025 года по адресу: .
