Кубиты представлены как простыми бинарными квантовыми состояниями, так и различными физическими реализациями. Одним из многообещающих кандидатов является захваченный электрон, который левитирует в вакууме. Однако управление квантовыми состояниями, особенно колебательными движениями захваченных электронов, может быть затруднено.

В статье, опубликованной в Исследование физического обзора, исследователи определили возможные решения некоторых ограничений кубитов для квантовых вычислений. Они рассмотрели две разные гибридные квантовые системы: электронно-сверхпроводящую схему и систему с электронно-ионной связью. Обе системы были способны контролировать температуру и движение электрона.

"Мы нашли способ охладить и измерить движение электрона, левитированного в вакууме, или захваченного электрона, как в квантовом режиме", - сказал доцент Альто Осада из Института науки Комаба Токийского университета. "С возможностью управления движением захваченных электронов на квантовом уровне захваченный электрон становится более перспективным и привлекательным для приложений квантовых технологий, таких как квантовые вычисления".

Предлагаемые системы, на которых сосредоточились исследователи, включали электрон, захваченный в вакууме, называемый ловушкой Пола, взаимодействующий со сверхпроводящими цепями, и захваченный ион. Поскольку ионы заряжены положительно, а электроны - отрицательно, когда они оказываются в ловушке вместе, они движутся навстречу друг другу из-за явления, называемого кулоновским притяжением. Поскольку электрон имеет такую легкую массу, взаимодействия между электроном и цепью, а также электроном и ионом были особенно сильными. Они также обнаружили, что способны контролировать температуру электрона с помощью микроволновых полей и оптических лазеров.

Еще одним важным показателем, который исследователи использовали для измерения успешности своих вычислений, была фононная мода электрона. Фонон относится к единице энергии, которая характеризует вибрацию, или, в данном случае, колебание захваченного электрона. Желаемым результатом было считывание с одного фонона и охлаждение в основном состоянии. Охлаждение в основном состоянии относится к замороженному состоянию электрона. Исследователи смогли достичь этого с помощью своих двух гибридных систем, которые они проанализировали. "В системе с захваченными электронами доступны высокоэффективные и высокоточные квантовые операции", - сказал Осада. "Эта новая система проявляет себя как новая площадка для развития квантовых технологий".

Забегая вперед, исследователи отмечают, что необходимо будет провести дополнительные экспериментальные исследования, чтобы увидеть, могут ли их методы быть реализованы и применены к квантовым вычислениям. Например, они планируют продемонстрировать свою идею с помощью эксперимента по проверке концепции. "Мы планируем изучить наши схемы с использованием электронов, захваченных в микроволновом резонаторе", - сказал Осада. "Благодаря этому исследованию мы сможем приблизиться еще на один шаг к точным квантовым операциям и к реализации квантовых вычислений".

Проект JST ERATO MQM, JSPS KAKENHI и JST SPRING поддержали это исследование.