Квантовые компьютеры, которые работают, используя явления квантовой механики, в конечном итоге могли бы решать некоторые оптимизационные и вычислительные задачи быстрее и эффективнее, чем их классические аналоги. Вместо битов, фундаментальных единиц информации в классических компьютерах, квантовые компьютеры полагаются на кубиты (квантовые биты), которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно.

Квантовые точки на основе кремния, полупроводниковые структуры, которые захватывают отдельные электроны, широко использовались в качестве кубитов, поскольку спиновое состояние электронов, которые они удерживают, может быть использовано для кодирования информации. Несмотря на их многообещающие возможности, многие разработанные до сих пор квантовые компьютеры подвержены декогеренции, что влечет за собой нарушение состояний кубитов из-за их взаимодействия с окружающей средой.

Исследователи из Университета Рочестера недавно приступили к экспериментальной реализации так называемого ядерного спинового темного состояния, состояния, которое, как предполагалось, улучшает производительность квантовых компьютеров, подавляя нежелательные взаимодействия и, таким образом, уменьшая декогеренцию. Их статья, опубликованная в Nature Physics , демонстрирует потенциал этого состояния для уменьшения декогеренции в квантовых системах и, таким образом, потенциального улучшения контроля над обработкой квантовой информации.

«Мотивацией этого проекта было изучение реализации проблемы центрального спина в новой обстановке», — рассказал Phys.org Джон Никол, старший автор статьи. «Модель центрального спина — это широко изученная система, в которой один спин (центральный спин) взаимодействует со многими другими спинами. Эта важная модель используется для понимания таких явлений, как декогеренция кубитов».

Модель центрального спина является многообещающей структурой, которая предсказывает различные явления, включая образование так называемых темных состояний. Хотя на этой модели построены различные теоретические исследования, ее проверка в экспериментальных условиях оказалась сложной из-за большого количества спинов, необходимых для демонстрации эффектов, которые она предсказывает.

«Мы были вдохновлены использованием полупроводникового кремния для исследования этой физики, потому что, хотя у него все еще много ядерных спинов , у него их не так много, как у других полупроводников», — сказал Никол. «Мы думали, что кремний предоставит нам более контролируемую платформу для изучения физики центрального спина».

Обычно ядерные спины в полупроводниках взаимодействуют со спинами электронов посредством так называемого сверхтонкого взаимодействия. Чтобы реализовать темное состояние ядерных спинов, исследователям необходимо расположить ядерные спины в определенной конфигурации, чтобы предотвратить их взаимодействие со спинами электронов.

«Мы использовали систему электронов в двойной квантовой точке, определяемой кремниевым затвором», — объяснил Никол. «Используя импульсы напряжения, мы манипулировали электронными спинами для генерации динамической ядерной поляризации, которая является процессом поляризации ядер электронами. В процессе динамической ядерной поляризации ядра в полупроводнике синхронизировались таким образом, чтобы отменить их взаимодействие с электронами».

Результаты, собранные Николом и его коллегами, по-видимому, подтверждают теоретические предсказания о ядерно-спиновых темных состояниях. Исследователи реализовали ядерно-спиновое темное состояние в кремниевой двойной квантовой точке, определяемой затвором, продемонстрировав, что такие состояния могут существовать в реальных устройствах.

Примечательно, что они обнаружили, что темное состояние, которое они реализовали, значительно подавило взаимодействие между ядерными и электронными спинами. Кроме того, эти взаимодействия оставались подавленными до тех пор, пока ядра поддерживали свою тщательно спроектированную синхронизацию.

«Существование темного состояния было предсказано много лет назад, но убедительные экспериментальные доказательства его формирования пришлось ждать до сих пор», — сказал Никол. «Его существование удивительно отчасти потому, что темное состояние включает в себя синхронизированную эволюцию тысяч ядерных спинов, и тот факт, что они могут претерпевать эту коллективную эволюцию в реальной системе, удивителен».

Демонстрация того, что темные состояния могут существовать в кремниевых устройствах, может иметь важные последствия для будущих исследований. Кремний легкодоступен и широко используется для разработки различных электронных устройств, включая классические и квантовые вычислительные системы. Поэтому это недавнее исследование может вскоре проложить путь для других демонстраций ядерно-спиновых темных состояний в кремниевых квантовых точках.

«Мы надеемся, что когда-нибудь темное состояние может быть полезным, особенно для квантовых приложений», — добавил Никол. «У нас есть много неотвеченных вопросов об этом темном состоянии, и мы с нетерпением ждем возможности изучить их в будущих исследованиях. В наших следующих исследованиях мы планируем изучить свойства темного состояния, включая то, насколько оно устойчиво к внешним факторам. Мы также сосредоточимся на том, как его можно использовать. Например, прогнозы предполагают, что темное состояние должно быть отличной квантовой памятью, и нам любопытно посмотреть, сбудется ли это».