Квантовый хор из 13 000 ядер: новый тип кубита для коммуникационных сетей будущего

Физики из Великобритании и Австрии создали новый тип кубита , в котором информацию хранит ансамбль ядерных спинов в полупроводниковой наноструктуре. Ученые сформировали особое состояние материи, которое можно использовать как регистр памяти в сетях будущего.

Сети нового поколения позволят обмениваться данными между удаленными вычислительными системами и другими устройствами на основе законов квантовой механики. С их помощью можно будет не только распределять вычислительные задачи, но и обеспечивать надежное шифрование информации. Сейчас такие технологии только зарождаются – в них для передачи данных используются фотоны, находящиеся в особых запутанных состояниях.

Главная проблема в построении таких сетей связана с тем, что фотоны постепенно теряют записанную в них информацию при движении на большие расстояния. Чтобы решить задачу, в сеть нужно встраивать специальные узлы-ретрансляторы. Они должны принимать ослабленные сигналы, усиливать их и отправлять дальше, для чего необходимы надежные элементы памяти.

Полупроводниковые наноструктуры, известные как квантовые точки, уже доказали свою эффективность как источники одиночных световых частиц. Они способны испускать фотоны на строго заданных длинах волн, причем излучение отличается высокой степенью когерентности и яркости. Частицы света рождаются при переходах электронов между энергетическими уровнями и отлично подходят для того, чтобы кодировать и передавать информацию.

Однако сами электронные состояния в наноструктурах плохо справляются с задачей хранения данных, что критично для узлов сети. Дело в том, что каждая точка содержит множество атомных ядер, спины которых хаотически меняют свою ориентацию. Из-за шума информация, записанная в электронных состояниях, быстро разрушается.

В своих прошлых работах исследователи показали, как можно обуздать ядерный шум, наблюдая за тем, как он влияет на поведение электронов. Развивая подход, они разработали специальный алгоритм с обратной связью, который подавляет случайные изменения в поведении ядер.

В новом эксперименте команда взяла точку из арсенида галлия и с помощью своего алгоритма смогли выстроить спины 13 тысяч ядер в согласованную структуру – так называемое темное состояние. Конфигурация отличается исключительной устойчивостью и не взаимодействует с излучением.

В ходе опытов было обнаружено удивительное явление: достаточно создать всего одно коллективное возбуждение – магнон, затрагивающий все ядра сразу, чтобы переключить весь ансамбль между двумя разными состояниями. По сути, эти состояния образуют базис для ячейки памяти, где роль нулей и единиц играют различные конфигурации ядерных спинов.

Группа также продемонстрировала возможность обмена информацией между ядерной системой и электронным состоянием точки. Точность процесса достигла 70%, а созданная память удерживала записанное состояние около 130 микросекунд – весьма впечатляющий результат для подобных систем.

А еще удалось выявить факторы, которые пока ограничивают надежность и длительность хранения данных. К ним относятся взаимное влияние различных типов ядерных колебаний, а также постепенная потеря спиновой ориентации под воздействием света.

Разработанный метод может превратить кажущийся недостаток наноструктур – наличие множества ядерных спинов – в их преимущество для задач передачи информации. Объединение многокубитного регистра с такими точками особенно перспективно, поскольку их уже производят серийно как эффективные источники одиночных фотонов.

Помимо прикладного значения, созданная технология открывает новые возможности для фундаментальной науки. С ее помощью можно будет исследовать неизвестные ранее эффекты и глубже понять, как устроены сложные системы, где множество частиц взаимодействуют друг с другом на микроскопическом уровне.