Микроволны помогут считывать квантовые состояния электронов над гелием

Один из интригующих методов создания кубитов для квантовых компьютеров предполагает использование электронов, левитирующих над поверхностью жидкого гелия. Однако оставалось неясным, как можно легко считывать данные, закодированные таким образом.

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Теперь исследователи из японского института RIKEN, возможно, нашли решение. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Как электроны над гелием могут хранить кубиты

Обычные компьютеры работают, выполняя операции с битами, закодированными в кремнии. Но никто точно не знает, как будут кодироваться кубиты в квантовых компьютерах будущего. В настоящее время разрабатывается около полудюжины платформ, включая сверхпроводники, кремний, свет и захваченные ионы.

Одна из самых интригующих идей для кубитов — это электроны, парящие над поверхностью жидкого гелия при температуре около четырех градусов Цельсия выше абсолютного нуля. Главное преимущество такой системы — очень чистая среда с минимальным вмешательством спинов соседних частиц. Это позволит кубитам сохранять свое квантовое состояние гораздо дольше, чем в более «шумных» средах.

«Для электрона, парящего в вакууме над гелием, единственное, что находится рядом, — это атомы гелия, которые обладают высокой инертностью, — объясняет Ашер Дженнингс из Центра квантовых вычислений RIKEN (RQC). — Это означает, что электрон очень хорошо защищен, что делает его отличной системой для хранения квантовой информации».

Обнаружение и считывание квантовой информации

Но чтобы такие кубиты можно было использовать в квантовых компьютерах, хранимые в них данные должны быть читаемыми. Небольшой магнитный момент электрона над гелием делает прямое считывание его спина непрактичным, поэтому ученые исследуют косвенные схемы для этого.

Перспективный способ — обнаружить переход электрона из состояния с наименьшей энергией в более высокое, известное как ридберговское состояние. Ученые, включая Дженнингса и Эрику Каваками (также из RQC), продемонстрировали, что должно быть возможно обнаружить ридберговский переход одиночного электрона, измеряя изменение емкости.

Они сделали это, используя 10 миллионов электронов, левитирующих над жидким гелием, создав систему, которая действует как конденсатор. Команда смогла обнаружить изменение квантовой емкости, происходящее при переходе электронов в ридберговское состояние, через изменения в микроволновой частоте.

Хотя систему необходимо уменьшить в 10 000 раз, эксперимент демонстрирует, что такое масштабированное устройство должно быть способно обнаружить сигнал от одного кубита.

«Наши измерения изменения емкости в большой системе указывают на то, что оно должно быть легко измеримо для одного электрона в одноэлектронном устройстве», — говорит Дженнингс.

Сейчас команда работает над проведением того же измерения в одноэлектронной системе.

Источник: RIKEN