Міжнародна група фізиків продемонструвала, що квантовий стан можна зберігати протягом понад 39 хвилин при кімнатній температурі. Експеримент проводили з іонами фосфору-31, вбудованими в кристалічну структуру високозбагаченого кремнію-28.
Дослідження було присвячене використанню ядерного спіну фосфору-31 як носія квантової інформації. На відміну від багатьох інших квантових систем, які потребують наднизьких температур, ця система продемонструвала надзвичайно тривалий час квантової когерентності навіть після нагрівання до кімнатної температури.
Квантові комп’ютери працюють із кубітами — аналогами класичних бітів, які можуть перебувати у квантових суперпозиціях. Однією з головних проблем практичних квантових систем є декогеренція: взаємодія з навколишнім середовищем поступово руйнує квантовий стан.
Дослідники використовували іони фосфору-31, вбудовані у кремній. Ядерний спін фосфору можна використовувати для зберігання квантової інформації, оскільки ядро значно слабше взаємодіє з навколишнім середовищем, ніж електрон. Це дає змогу зберігати квантову когерентність протягом тривалого часу.
Під час експерименту вчені виявили, що когерентність ядерного спіну зберігалася понад 39 хвилин при кімнатній температурі. Це був надзвичайно тривалий показник для квантової пам’яті та важливий результат для розвитку кремнієвих квантових технологій.
Особливо цікаво, що дослідники могли охолодити систему до низької температури після перебування при кімнатній температурі та знову виміряти її квантовий стан. Експеримент показав, що інформація не була втрачена під час нагрівання. За температури близько 4,2 K час когерентності сягав приблизно трьох годин.
Однак цей результат не означав появи готового квантового комп’ютера, який можна було б використовувати при кімнатній температурі. Експеримент демонстрував насамперед надзвичайно довге збереження квантової когерентності, а не повноцінне виконання квантових обчислень.
Для практичного квантового комп’ютера потрібні надійне керування окремими кубітами, їхнє зчитування та можливість виконувати операції між кубітами. Тривале збереження квантового стану саме по собі ще не забезпечує можливості виконувати складні квантові обчислення.
Перевага запропонованого підходу полягає в тому, що кремній уже є основним матеріалом сучасної напівпровідникової електроніки. Тому в майбутньому технології, засновані на атомах-домішках у кремнії, потенційно можуть скористатися величезним досвідом напівпровідникової промисловості.
Таким чином, експеримент із понад 39-хвилинним збереженням квантової когерентності був не демонстрацією «домашнього квантового комп’ютера», а важливим кроком до створення довгоживучої квантової пам’яті, яку потенційно можна інтегрувати з кремнієвими квантовими процесорами.
Сьогодні технології кремнієвих кубітів уже значно просунулися: сучасні дослідження охоплюють електронні й ядерні спінові кубіти в кремнії, високоточні одно- та двокубітні операції й роботу деяких систем при температурах порядку 1 К. Але 1 К — це все ще далеко від кімнатної температури. Джерело