Крупнейшие современные квантовые компьютеры по-прежнему содержат всего несколько сотен "кубитов", квантовых эквивалентов цифровых битов.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института предложили новый подход к созданию кубитов и управлению ими для чтения и записи данных. Метод, который на данном этапе является теоретическим, основан на измерении и контроле спинов атомных ядер с использованием пучков света от двух лазеров немного разных цветов. Полученные результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Физический обзор X, написанный докторантом Массачусетского технологического института Хаовеем Сюем, профессорами Джу Ли и Паолой Каппелларо и четырьмя другими.

Ядерные спины уже давно признаны потенциальными строительными блоками для систем обработки информации и связи на квантовой основе, так же как и фотоны, элементарные частицы, которые представляют собой дискретные пакеты, или "кванты", электромагнитного излучения. Но заставить эти два квантовых объекта работать вместе было трудно, потому что атомные ядра и фотоны почти не взаимодействуют, а их собственные частоты отличаются на шесть-девять порядков величины.

В новом процессе, разработанном командой Массачусетского технологического института, разница в частоте входящего лазерного луча соответствует частотам перехода ядерного спина, заставляя ядерный спин поворачиваться определенным образом.

"Мы нашли новый, мощный способ взаимодействия ядерных спинов с оптическими фотонами от лазеров", - говорит Каппелларо, профессор ядерной науки и техники. "Этот новый механизм связи позволяет их контролировать и измерять, что теперь делает использование ядерных спинов в качестве кубитов гораздо более многообещающим начинанием".

Исследователи говорят, что этот процесс полностью настраивается. Например, один из лазеров можно было бы настроить так, чтобы он соответствовал частотам существующих телекоммуникационных систем, тем самым превратив ядерные спины в квантовые ретрансляторы для обеспечения квантовой связи на большие расстояния.

Предыдущие попытки использовать свет для воздействия на ядерные спины были косвенными, связываясь вместо этого со спинами электронов, окружающих это ядро, которые, в свою очередь, воздействовали бы на ядро через магнитные взаимодействия. Но это требует существования близлежащих неспаренных электронных спинов и приводит к дополнительному шуму на ядерных спинах. Для нового подхода исследователи воспользовались тем фактом, что многие ядра имеют электрический квадруполь, что приводит к электрическому ядерному квадруполярному взаимодействию с окружающей средой. На это взаимодействие может повлиять свет, чтобы изменить состояние самого ядра.

"Ядерный спин обычно довольно слабо взаимодействует, - говорит Ли. - Но, используя тот факт, что некоторые ядра имеют электрический квадруполь, мы можем вызвать этот нелинейно-оптический эффект второго порядка, который напрямую связан со спином ядра, без каких-либо промежуточных электронных спинов. Это позволяет нам напрямую манипулировать ядерным вращением".

Среди прочего, это может позволить точную идентификацию и даже картирование изотопов материалов, в то время как рамановская спектроскопия, хорошо зарекомендовавший себя метод, основанный на аналогичной физике, может идентифицировать химию и структуру материала, но не изотопы. Исследователи говорят, что эта возможность может иметь множество применений.

Что касается квантовой памяти, типичные устройства, используемые в настоящее время или рассматриваемые для квантовых вычислений, имеют время когерентности - то есть количество времени, в течение которого сохраненная информация может надежно сохраняться нетронутой, - которое, как правило, измеряется крошечными долями секунды. Но в случае ядерной спиновой системы время квантовой когерентности измеряется часами.

Поскольку оптические фотоны используются для передачи данных на большие расстояния по волоконно-оптическим сетям, возможность прямого подключения этих фотонов к квантовой памяти или чувствительным устройствам может обеспечить значительные преимущества в новых системах связи, говорит команда. Кроме того, этот эффект можно было бы использовать для обеспечения эффективного способа преобразования одного набора длин волн в другой. "Мы думаем об использовании ядерных спинов для передачи микроволновых фотонов и оптических фотонов", - говорит Сюй, добавляя, что это может обеспечить большую точность такой трансляции, чем другие методы.

Пока что работа носит теоретический характер, поэтому следующим шагом является реализация концепции в реальных лабораторных устройствах, вероятно, в первую очередь в спектроскопической системе. "Это может быть хорошим кандидатом для эксперимента с доказательством принципа", - говорит Сюй. По его словам, после этого они займутся квантовыми устройствами, такими как память или эффекты трансдукции.

В команду также входили Чанхао Ли, Гоцин Ван, Хуа Ван, Хао Тан и Ариэль Барр, все из Массачусетского технологического института.