Предложено решение для создания квантовой памяти в полупроводниках

Для развития квантовых вычислений понадобятся квантовые аналоги оперативной памяти и жёстких дисков. Одни данные необходимо хранить условно короткое время, а другие — очень и очень долго. И если с «коротко» всё более-менее ясно, то с длительным хранением квантовых состояний (кубитов) есть серьёзные трудности. Помочь в этом обещает новое исследование в Чикагском университете.

Запутанность электрона (пурпурная сфера) с ядром атома вещества в представлении художника (Иллюстрация Peter Allen)

Группа учёных из Чикагского университета разработала теорию и поставила эксперимент, в ходе которого удалось создать контролируемый субатомный элемент квантовой памяти. Этот элемент был создан в таком полупроводнике, как карбид кремния. Запоминающими элементами в материале стали атомные ядра вещества, а роль управляющего элемента взял на себя захваченный полупроводником электрон. Затем этот же электрон удалось запутать (связать) с квантовой памятью, что говорит о возможности контролируемого создания и длительного удержания кубитов.

«Полупроводниковые материалы представляют собой структуры атомных ядер, удерживаемых вместе электронными связями. Некоторые, но не все из этих ядер обладают свойством, называемым «спином», которое позволяет им вести себя как крошечные квантовые магниты. Ядра, у которых есть спин, могут использоваться для кодирования [записи] квантовой информации».

Для воздействия на ядра атомов карбида кремния учёные задействовали методы, которые используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), но заменили громоздкую магнитную камеру всего на один электрон. Тем самым исследователи получили в руки инструмент, с помощью которого смоли управлять состоянием отдельной группы ядер. Ядерные спины очень стабильны и могут удерживать когерентность часами, что для квантовых вычислений практически вечность.

Разработчики уверены, «что смогут разработать материалы, которые будут иметь десятки высококачественных квантовых запоминающих устройств на меньшей площади, чем один современный транзистор, который можно найти в современных интегральных схемах». Одни из таких запоминающих устройств будут служить памятью для оперативных вычислений, а другие станут основой для долговременного хранения квантовой информации.