Полезная технология. Ученые нашли способ сохранить квантовую запутанность при комнатной температуре

Китайские исследователи добились значительного успеха в области квантовых технологий, увеличив время жизни электронной запутанности в твердотельной системе при комнатной температуре до 240 раз. Под руководством Шуо Рена и Руй-Цзянь Ляна из Хэфэйского университета науки и технологий Китая команда успешно перенесла запутанные состояния от электронных спинов твердотельных дефектов к спинам окружающих атомных ядер, которые демонстрируют гораздо большую устойчивость к внешнему шуму.

Результаты этого передового исследования были официально опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

Когда две или более квантовых частиц находятся в состоянии квантовой запутанности, их свойства остаются неразрывно связанными независимо от физического расстояния между ними. Измерение одной частицы мгновенно дает информацию о ее партнере. Это уникальное явление активно изучается для развития квантового зондирования и обработки информации, где задействованные сети кубитных систем способны решать сложные задачи, недоступные классическим компьютерам. Однако главным вызовом остается быстрое разрушение квантовой информации из-за тепловых флуктуаций окружающей среды. Хотя этот шум можно снизить сверхнизким охлаждением, физики активно ищут более практичные подходы со встроенной стойкостью.

Одним из перспективных направлений является использование спиновых дефектов — дефектов атомного масштаба в кристаллической решетке твердых тел, таких как центры цвета в карбиде кремния. Когда такие дефекты создаются на глубине нескольких нанометров под поверхностью, они становятся чрезвычайно чувствительными к сигналам снаружи, но одновременно сильнее подвергаются поверхностному шуму. Чтобы решить эту проблему, исследователи привлекли взаимодействие электронов с редкими изотопами кремния-29, чей ядерный спин связывается с электроном и более устойчив к шумам. С помощью специального протокола SWAP-gate команда смогла переносить запутанность между электронами и ядерными спинами, используя последние как надежную квантовую память.

В ходе экспериментов ученые подготовили первоначальное запутанное состояние с точностью 94%, которая после переноса на ядерные спины снизилась лишь до 92,5%. При этом время жизни запутанности в ядерной памяти превысило 240 микросекунд против чуть более 1 микросекунды в электронном формате. Среди 200 исследованных центров в карбиде кремния более 10% содержали необходимые связанные ядерные спины.

Разработанный метод открывает практические перспективы масштабирования квантовых регистров для новых технологий.