В недавней статье, опубликованной в научном журнале PRX Quantum, российские ученые подробно изучили нейтральные атомы тулия как перспективную платформу для квантовых вычислений.
Сотрудники Физического института имени Лебедева РАН и Российского квантового центра доказали, что атомы этого редкоземельного элемента могут выступать в роли кубитов — базовых единиц квантовой информации — с управлением как с помощью микроволнового излучения (частота ~1497 МГц), так и посредством лазерных методов.
Главное преимущество предлагаемого подхода — значительно увеличенное время когерентной жизни квантового состояния. В эксперименте удалось удерживать стабильный кубит до 55 секунд — это один из лучших показателей в мире.
Кроме того, предложен метод переключения кубита между основным и метастабильным состоянием с временем жизни порядка 112 миллисекунд, что позволяет защитить квантовую информацию от внешних помех и расширить спектр реализуемых алгоритмов.
Почему исследователей привлек именно тулий? Как объясняют авторы, это редкоземельный элемент с богатой энергетической структурой. Возможность кодирования кубитов в сверхтонких подуровнях основного состояния атома — когда магнитные моменты ядра и электронов ориентированы либо «в одну сторону», либо «в разные» — дает уникальное сочетание параметров. Достижимы как высокая точность квантовых операций (как у щелочных элементов), так и гибкость оптического управления (как у щелочноземельных).
При этом разница энергии между подуровнями находится в узком диапазоне микроволновой частоты (~1497 МГц), что делает управление надежным и устойчивым к внешним помехам.
Эксперименты проводились на установке, изначально созданной для разработки сверхточных оптических часов на основе атомов тулия. Это подчеркивает многофункциональность платформы: та же технология может быть применена и в квантовых вычислениях, и в метрологии.
Развитие таких кубитных платформ с долговременной памятью имеет блестящие перспективы. Одной из ключевых задач квантовой информатики является реализация масштабируемых квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим вычислениям. Возможность длительного хранения квантового состояния (не считая сиюминутных суперпозиций) значительно расширяет спектр алгоритмов — включая промежуточное хранение данных, повторные вычисления, коррекцию ошибок и др.
Тулий (Thulium, Tm, в периодической системе №69) — один из самых редких лантаноидов, не образующий собственных минералов и получаемый лишь при переработке минералов других редкоземов. До сих пор использовался в основном в медицинских лазерах, но в свете исследования российских ученых интерес к тулию может резко возрасти. Название элемента происходит от греческого слова Thule, которым эллины, скорее всего, именовали Скандинавию. Интересные факты о тулии можно найти здесь.
Нет сомнения, что российская команда повысила конкурентоспособность в глобальной гонке квантовых технологий. Вопросы интеграции таких платформ, их масштабирования и практического применения остаются, но шаг сделан вперед очень значительный.
В ближайшее время можно ожидать дальнейших публикаций по теме. В планах авторов — развитие методик лазерного охлаждения и удержания тулия, оптимизация схем управления кубитами, а также интеграция в более крупные архитектуры квантовых процессоров.
Использование нейтральных атомов тулия открывает новую эру в развитии квантовой обработки информации. Сочетая долговременное хранение, точное управление и перспективу массового внедрения, эта платформа дает возможность вплотную подойти к созданию реально работающих квантовых компьютеров будущего.
О том, как ученые совершили прорыв в управлении квантовым светом, читайте в материале Hi-Tech Mail.
