|
Создана квантовая память с большим временем хранения
|
|
21 июня 2012 года, 00:51 | Текст: Дмитрий Сафин
|
|
|
|
Физики из США, Германии и Великобритании провели испытания квантовой памяти, показавшей чрезвычайно большое время хранения при комнатной температуре.
|
|
|
|
Сформулировать основные требования к элементу квантовой памяти (кубиту), подходящему для практического использования, не сложно: он должен надёжно и долго хранить записанную информацию, обеспечивая к ней удобный доступ. Чтобы повысить надёжность, нужно минимизировать воздействие окружающей среды на кубит. С другой стороны, квантовый бит нельзя полностью изолировать, поскольку данные всё-таки приходится записывать и считывать.
|
|
|
|
Очевидный конфликт требований не позволяет вывести формулу «идеального» кубита, и экспериментаторы рассматривают самые разные конструкции, радикально отличающиеся друг от друга по времени когерентности Т (длительности промежутка, на котором кубит способен сохранять квантовые свойства, не превращаясь в обычный классический элемент). К примеру, захваченные в ловушки атомы или ионы обеспечивают большое время когерентности, но работать с ними — охлаждать, удерживать, создавать сверхвысокий вакуум — сложно. Твердотельные устройства дешевле и технологичнее, однако дают меньшие величины Т, поскольку электронные или ядерные спины, образующие кубиты, находятся уже не в контролируемых условиях вакуума, а в окружении других атомов.
|
|
|
В новой работе предложен компромиссный вариант твердотельного элемента квантовой памяти, построенного на базе ядерного спина единичного углерода-13. Атомы этого относительно редкого изотопа разместились в искусственном кристалле алмаза миллиметровых размеров, выращенном по методике химического осаждения из газовой фазы. Содержание изотопа 12С, использованного при осаждении и имеющего, что важно, нулевой спин ядра, было доведено до 99,99%.
|
|
|
|
Пытаясь ограничить внешнее влияние на кубит и увеличить время когерентности, авторы разработали оригинальную методику непрямой адресации, основанную на сверхтонком взаимодействии. Суть её заключается в том, что состояние ядерного спина задавалось и считывалось посредством связанного с ним электронного спина. Носителем последнего стал NV-центр (азотно-замещённая вакансия — один из точечных дефектов алмаза, возникающий при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота, который замещает углерод в соседнем узле), расположенный в 1–2 нм от 13С.
|
|
|
|
Во время хранения информации, когда к кубиту никто не обращается, взаимодействие ядерного и электронного спинов только мешает, снижая Т. Физики учли и это, введя в экспериментальную методику дополнительный пункт — облучение кристалла сфокусированным лазерным пучком. Излучение на длине волны в 532 нм, соответствующей зелёному цвету, вызывало ионизацию и последующую деионизацию NV-центра, причём частота повторения этих переходов зависела от мощности лазера. Как было показано ранее в одном схожем опыте, на определённом уровне интенсивности излучения частота становится настолько высокой, что сверхтонкое взаимодействие подавляется.
|
|
|
|
Включение зелёного лазера позволило увеличить время когерентности, измеряемое при комнатной температуре, почти на два порядка и довести его до 0,53 ± 0,14 с. Это значение, однако, не стало предельным: когда лазерное облучение дополнили последовательностью радиочастотных импульсов, подавляющих диполь-дипольное взаимодействие кубита с близлежащими ядрами углерода-13, которые содержались в объёме кристалла, Т превысило 1 с.
|
|
|
|
«Согласно теоретическим расчётам, "время жизни" кубита может достигать 36 часов, — замечает участник исследования Дэвид Хангер (David Hunger) из Института квантовой оптики им. Макса Планка. — А это значит, что односекундный результат также далёк от идеала». Вероятно, оптимизация методики и уменьшение содержания изотопа 13С в искусственном алмазе позволят ещё увеличить Т.
|
|
|
|
Статью с полным описанием эксперимента г-н Хангер и его коллеги опубликовали в журнале Science. Что интересно, в том же номере можно найти отчёт об аналогичном исследовании, выполненном группой учёных из Канады, Германии и США под руководством Майкла Теволта (Michael Thewalt) из Университета Саймона Фрейзера. Хотя методики записи и считывания квантовых данных, использованные двумя группами, различаются, в обоих случаях исследуются ядерные спины атомов в твёрдом теле.
|
|
|
|
Группе г-на Теволта также пришлось изготавливать образец, в котором содержание изотопа с нулевым спином (28Si) было искусственно увеличено до 99,995%. В объём кремния была введена донорная примесь фосфора-31, предоставившая необходимые для создания квантовой памяти ядерные спины. Измерения здесь проводились не в комнатных условиях, а при температуре менее 2 К, зато и время когерентности составило более 180 секунд.
|
|
|
|
http://science.compulenta.ru/687999/
|
