Твердотельные кубиты удалось запутать путём измерения

В лаборатории Делфтского технического университета (Нидерланды) был проведён эксперимент по запутыванию двух твердотельных спиновых кубитов путём их совместного измерения.

Запутанность квантовых систем, напомним, представляют как появление между ними неклассических корреляций по какому-либо параметру, который может принимать по крайней мере два значения для каждой из систем. Чаще всего в опытах, где требуется запутывание, используют фотоны, управляться с которыми несложно: достаточно подавать кванты света на нелинейный кристалл, реализующий эффект спонтанного параметрического рассеяния. На выходе будут появляться пары частиц с суммарными энергией и импульсом, равными энергии и импульсу входных квантов, причём пары эти могут находиться в максимально запутанных состояниях, известных как состояния Белла.

Совместные измерения, проводимые над квантовыми системами, также позволяют достичь запутывания. К примеру, в общепринятом алгоритме квантовой телепортации фотонов ключевым этапом становится измерение состояний Белла, то есть проецирование совместного состояния двух частиц на базис состояний Белла.

 

Эксперименты с твердотельными кубитами более сложны, но физики, которые надеются создать недорогую и технологичную квантовую память с длительным хранением при комнатной температуре, интереса к ним не теряют. Элементами такой памяти — кубитами — могли бы стать спины электронов или ядер, и каждый из этих двух вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Электроны, активно взаимодействуя со средой, серьёзно ограничивают время когерентности (длительность промежутка, на котором кубит сохраняет заданные квантовые свойства), тогда как достижимая при работе с ядрами надёжная изоляция от среды естественным образом осложняет манипулирование их спинами.

Учёные из Нидерландов сделали выбор в пользу кубитов, построенных на основе ядерных спинов азота и углерода. Атомы углерода-13 находились в искусственном кристалле алмаза с повышенным содержанием изотопа ¹²С, который имеет нулевой спин ядра и на результаты не влиял, а азот был позаимствован у NV-центров (азотно-замещённых вакансий — точечных дефектов алмаза, возникающих при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с азотом). Вспомогательную роль в измерениях сыграли электронные спины NV-центров, связанные сверхтонким взаимодействием с ядерными.

 

Чтобы добиться запутывания, авторы проводили измерение «чётности» — общей характеристики кубитов, показывающей, чётное или нечётное их число находится в определённом собственном состоянии. Неоспоримым доказательством того, что искомая запутанность была достигнута, стало нарушение неравенств Белла, зафиксировать которое в экспериментах с твердотельными спинами ранее не удавалось.

 

Подготовлено по материалам arXiv.