Казанские физики предложили решение для систем устойчивой квантовой памяти

Физики Казанского федерального университета (КФУ) провели исследование, посвященное разработке систем устойчивой квантовой памяти, и пришли к выводу, что одним из самых перспективных материалов для квантовых технологий является карбид кремния.

Системы устойчивой квантовой памяти необходимы для развития защищенных каналов связи и узлов хранения информации. По словам ученых, основной сложностью в данной области является крайняя нестабильность квантовых систем, поскольку любые внешние магнитные и электрические поля, а также атомные шумы (флуктуации) способны мгновенно уничтожить записанную полезную информацию.

В рамках исследования ученые провели селективное (выборочное) управление ядрами дальних атомов 13C, которые располагаются в пределах полупроводникового кристалла карбида кремния. Их особенность заключается в естественной 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», — рассказал руководитель исследования, научный сотрудник НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций и магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера» Фадис Мурзаханов.



В ходе экспериментов с использованием NV-центров (дефектов в строении алмаза) ученые установили, что атомы азота и углерода в кристалле образуют сеть взаимосвязанных ядер через электронное облако NV-центра, где воздействие на одно ядро влияет на другое. Оптимизировав измерительные методы, авторы смогли достигнуть контрастности считывания сигнала рекордных 35 % чувствительности к обнаружению сигнала.

Практическая ценность исследования, по словам руководителя научной группы, заключается в первую очередь в поиске и проверке перспективных материалов, на основе которых в будущем физики или инженеры смогут собирать реальные квантовые устройства.

«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 Фадис Мурзаханов.

По словам руководителя научной команды, 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. Это делает сторонний несанкционированный контроль невозможным.

Ученый подытожил: главный фундаментальный вывод исследования — 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 Фадис Мурзаханов.

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.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации