Физики продлили жизнь «квантовых атомов» в 20 раз и установили 3 мировых рекорда
Ученые из 5-го Института физики Штутгартского университета (Германия) опубликовали в Nature Communications результаты, которые могут продвинуть создание квантовых компьютеров. Речь об атомах Ридберга — частицах с сильно «раздутым» электроном, вращающимся вокруг ядра на необычно большом расстоянии. Такие атомы считаются одними из главных кандидатов на роль строительных блоков будущих квантовых машин.
Почему это важно
В обычном атоме электрон держится близко к ядру. Но в высоковозбужденном состоянии орбита резко растет, и атом становится в тысячи раз крупнее. Благодаря этому такие атомы «чувствуют» друг друга на расстоянии около 5 микрометров — это одна десятая толщины волоса, но по атомным меркам огромная дистанция. Проблема в том, что такие атомы крайне хрупкие и обычно разрушаются за доли секунды. Эта нестабильность долго тормозила развитие квантовых симуляторов — устройств, воспроизводящих поведение сложных квантовых систем и считающихся предшественниками полноценных квантовых компьютеров.
Три рекорда сразу
Руководитель института профессор Тильман Пфау объясняет:
«Одна из главных сложностей заключалась в том, что атомы Ридберга очень чувствительны и остаются стабильными лишь короткое время. Мы справились с этой проблемой и увеличили устойчивость атомов в 20 раз».
Команда работала с круговыми атомами Ридберга, у которых электрон движется по почти идеально круговой орбите. Руководитель группы Флориан Майнерт формулирует итог так:
«Мы установили сразу три мировых рекорда — самое долгое время жизни отдельных атомов Ридберга, самые крупные управляемые круговые атомы Ридберга и самое долгое время удержания таких атомов в оптическом пинцете».
Электрону удалось удержать круговую орбиту 11 миллисекунд — более чем в 20 раз дольше, чем показывают похожие состояния в свободном пространстве. Диаметр орбиты составил около 1,1 микрометра, примерно в 10 000 раз больше, чем у электрона в обычном атоме. Отдельно атомы смогли удерживать лазерным лучом (оптическим пинцетом) 133 миллисекунды — тоже рекорд.
Докторант группы Эйниус Пультиневичюс отмечает:
«Эти рекорды открывают новые возможности для повышения мощности квантовых симуляторов, увеличения числа вычислений и более точного управления квантовыми системами».
Самое неожиданное — рекорды получены при комнатной температуре, без систем охлаждения жидким гелием, которые раньше считались обязательными.
«Мы достигли этих результатов при комнатной температуре, без затратного охлаждения жидким гелием», — говорит Майнерт.
Секрет — в доработке идеи из 1980-х годов. Даже комнатная температура не означает тишины: любая поверхность испускает невидимое микроволновое излучение, способное разрушить хрупкое состояние. Раньше с этим боролись только глубоким охлаждением. Команда пошла другим путем — поместила атомы между двумя прозрачными пластинами с электропроводящим покрытием, экранирующими мешающее излучение.
«Наши результаты показывают, что атомы Ридберга с очень долгим временем жизни возможны даже при комнатной температуре. Мы усовершенствовали известную концепцию для современных квантовых платформ», — резюмирует ученый.
Что это дает квантовым компьютерам
Нейтральные атомы в оптических пинцетах — одна из самых перспективных платформ для масштабируемых квантовых симуляторов. Чем дольше живет квантовое состояние, тем дольше можно хранить квантовую информацию и точнее контролировать взаимодействие между частицами. Это должно означать, что будущие квантовые компьютеры смогут выполнять более длинные вычисления с меньшим числом ошибок.
Профессор Пфау подводит итог:
«Эти достижения могут сыграть важную роль в развитии квантовых симуляторов и квантовых компьютеров».
Благодаря рекордам Штутгартский университет теперь располагает уникальной в мировом масштабе платформой для работы с круговыми атомами Ридберга. Команда планирует использовать ее для создания новых квантовых компьютеров, симуляторов и сверхточных квантовых сенсоров.
