Удивительное открытие потрясло мир квантовой физики: обыкновенная драгоценная шпинель, известная своими яркими оттенками, соперничающими с рубинами и сапфирами, оказалась способна хранить квантовую информацию. Это свойство делает ее перспективным материалом для создания передовых квантовых технологий, открывая совершенно новые горизонты в этой стремительно развивающейся области.
Это революционное открытие стало результатом плодотворного сотрудничества между учеными из Университета Тохоку, Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории. Их совместная работа, опубликованная в авторитетном журнале Applied Physics Express, не только подчеркивает научную значимость шпинели, но и знаменует собой важную веху в развитии международного научного партнерства.
Данная публикация является первым значимым результатом Чикаго-Тохоку Квантового Альянса, инициативы, зародившейся в июне 2023 года. Целью этого альянса является укрепление связей между академическими кругами, правительственными структурами и японскими компаниями, создавая прочный мост для обмена знаниями и технологиями в области квантовых исследований.
Профессор Дэвид Авшалом, занимающий должность Liew Family Professor и вице-декана по исследованиям в Школе молекулярной инженерии Притцкера при Чикагском университете, совместно руководивший исследованием, подчеркнул, что потенциал шпинели выходит далеко за рамки ее эстетической привлекательности. По его словам, «глубокие научные возможности» этого материала позволят не только углубить понимание кубитных систем, но и значительно расширить инструментарий для разработки квантовых технологий, открывая пути, которые ранее казались «невообразимыми».
Квантовые информационные технологии используют законы квантовой механики для обработки, хранения и передачи информации, предлагая возможности, недоступные классическим системам. В основе этих технологий лежат кубитные системы – наборы кубитов, являющихся квантовыми аналогами битов в классической информатике. Для надежного хранения квантовой информации используются твердотельные материалы, такие как алмаз или муассанит. Атомные дефекты в этих материалах улавливают спины электронов, которые и выполняют роль кубитов. Прозрачность драгоценных камней играет важную роль, способствуя изоляции кубитов для стабильных манипуляций.
Манато Кавахара, аспирант Научно-исследовательского института электросвязи (RIEC) Университета Тохоку, провел интересную аналогию со снежным шаром. Подобно тому, как стеклянная сфера защищает миниатюрный мир внутри от внешних воздействий, позволяя при этом манипулировать им (например, встряхивая шар), материал-хозяин защищает кубиты от внешних помех, не препятствуя их контролируемому управлению. Управление кубитами осуществляется с помощью магнитных или электрических полей, воздействующих на спин электрона.
Прорыв в исследовании шпинели стал возможен благодаря фундаменту, заложенному предыдущими работами ученых из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Тохоку. В 2021 году эта исследовательская группа разработала руководящие принципы для поиска новых твердотельных спиновых кубитных систем. Уже в 2022 году та же команда представила метод, значительно упрощающий процесс обнаружения перспективных материалов для кубитов. Именно эти предшествующие исследования направили внимание ученых на шпинель (MgAl2O4).
Для экспериментального исследования свойств шпинели использовался метод, основанный на воздействии лазерного луча. Лазерный луч направлялся на образец шпинели, возбуждая его. Затем измерялось излучаемое веществом свет (фотолюминесценция), что позволяло проанализировать реакцию материала и выявить наличие кубитных свойств.
Профессор Шунь Канай из RIEC, также руководивший исследовательской группой, отметил, что с помощью оптической измерительной системы ученым удалось обнаружить кубитную информацию в шпинели. Было установлено, что центр церия (Ce) в структуре шпинели способен удерживать кубитную информацию, но для этого требуются определенные условия: крайне низкая температура, достигающая 4 Кельвинов, и магнитное поле напряженностью 500 миллиТесла.
Для создания полноценной работоспособной кубитной системы необходимо обеспечить выполнение трех ключевых функций: инициализацию, манипуляцию и детектирование. Полученные результаты демонстрируют, что шпинель обладает как способностью к инициализации, то есть установке кубита в определенное начальное состояние, так и способностью к детектированию (считыванию) квантовой информации.
Дэвид Авшалом поделился планами на будущее, заявив о намерении исследователей научиться манипулировать и контролировать спиновый кубит в шпинели. Успешное развитие исследований в этом направлении откроет двери для широкого спектра потенциальных применений, включая создание высокочувствительных датчиков, защищенных каналов связи и мощных квантовых компьютеров. Демонстрация работоспособности кубита на основе шпинели станет важным шагом на пути к практической реализации квантовых технологий, открывая новые горизонты для будущего науки и техники.
Изображение носит иллюстративный характер
Это революционное открытие стало результатом плодотворного сотрудничества между учеными из Университета Тохоку, Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории. Их совместная работа, опубликованная в авторитетном журнале Applied Physics Express, не только подчеркивает научную значимость шпинели, но и знаменует собой важную веху в развитии международного научного партнерства.
Данная публикация является первым значимым результатом Чикаго-Тохоку Квантового Альянса, инициативы, зародившейся в июне 2023 года. Целью этого альянса является укрепление связей между академическими кругами, правительственными структурами и японскими компаниями, создавая прочный мост для обмена знаниями и технологиями в области квантовых исследований.
Профессор Дэвид Авшалом, занимающий должность Liew Family Professor и вице-декана по исследованиям в Школе молекулярной инженерии Притцкера при Чикагском университете, совместно руководивший исследованием, подчеркнул, что потенциал шпинели выходит далеко за рамки ее эстетической привлекательности. По его словам, «глубокие научные возможности» этого материала позволят не только углубить понимание кубитных систем, но и значительно расширить инструментарий для разработки квантовых технологий, открывая пути, которые ранее казались «невообразимыми».
Квантовые информационные технологии используют законы квантовой механики для обработки, хранения и передачи информации, предлагая возможности, недоступные классическим системам. В основе этих технологий лежат кубитные системы – наборы кубитов, являющихся квантовыми аналогами битов в классической информатике. Для надежного хранения квантовой информации используются твердотельные материалы, такие как алмаз или муассанит. Атомные дефекты в этих материалах улавливают спины электронов, которые и выполняют роль кубитов. Прозрачность драгоценных камней играет важную роль, способствуя изоляции кубитов для стабильных манипуляций.
Манато Кавахара, аспирант Научно-исследовательского института электросвязи (RIEC) Университета Тохоку, провел интересную аналогию со снежным шаром. Подобно тому, как стеклянная сфера защищает миниатюрный мир внутри от внешних воздействий, позволяя при этом манипулировать им (например, встряхивая шар), материал-хозяин защищает кубиты от внешних помех, не препятствуя их контролируемому управлению. Управление кубитами осуществляется с помощью магнитных или электрических полей, воздействующих на спин электрона.
Прорыв в исследовании шпинели стал возможен благодаря фундаменту, заложенному предыдущими работами ученых из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Тохоку. В 2021 году эта исследовательская группа разработала руководящие принципы для поиска новых твердотельных спиновых кубитных систем. Уже в 2022 году та же команда представила метод, значительно упрощающий процесс обнаружения перспективных материалов для кубитов. Именно эти предшествующие исследования направили внимание ученых на шпинель (MgAl2O4).
Для экспериментального исследования свойств шпинели использовался метод, основанный на воздействии лазерного луча. Лазерный луч направлялся на образец шпинели, возбуждая его. Затем измерялось излучаемое веществом свет (фотолюминесценция), что позволяло проанализировать реакцию материала и выявить наличие кубитных свойств.
Профессор Шунь Канай из RIEC, также руководивший исследовательской группой, отметил, что с помощью оптической измерительной системы ученым удалось обнаружить кубитную информацию в шпинели. Было установлено, что центр церия (Ce) в структуре шпинели способен удерживать кубитную информацию, но для этого требуются определенные условия: крайне низкая температура, достигающая 4 Кельвинов, и магнитное поле напряженностью 500 миллиТесла.
Для создания полноценной работоспособной кубитной системы необходимо обеспечить выполнение трех ключевых функций: инициализацию, манипуляцию и детектирование. Полученные результаты демонстрируют, что шпинель обладает как способностью к инициализации, то есть установке кубита в определенное начальное состояние, так и способностью к детектированию (считыванию) квантовой информации.
Дэвид Авшалом поделился планами на будущее, заявив о намерении исследователей научиться манипулировать и контролировать спиновый кубит в шпинели. Успешное развитие исследований в этом направлении откроет двери для широкого спектра потенциальных применений, включая создание высокочувствительных датчиков, защищенных каналов связи и мощных квантовых компьютеров. Демонстрация работоспособности кубита на основе шпинели станет важным шагом на пути к практической реализации квантовых технологий, открывая новые горизонты для будущего науки и техники.
