Российские физики сумели получить рекордно синхронизированный по частоте спиновый резонанс электронов. Это достижение Лаборатории спиновой физики двумерных материалов Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) в перспективе поможет созданию квантовых компьютеров – нового типа вычислительных устройств, способных решать задачи, на которые у обычных компьютеров могут уйти сотни лет непрерывной работы.

Одна из главных проблем создания квантового компьютера – физическая реализаций минимального логического элемента квантовых вычислений – кубита. В обычном компьютере его аналогом является бит, который может принимать два значения – 0 и 1. Физической его реализацией является полупроводниковый транзистор, а значения 0 или 1 задаются электрическим зарядом. В отличие от классического бита, кубит находится в суперпозиции двух состояний и принимает одно из значений – 0 или 1 – лишь в момент измерения, хотя на самом деле в любой момент времени он то или иное значение принимает лишь с некоторой вероятностью. Таковы законы квантового мира. Физической реализацией кубита могут стать не атомы полупроводникового кристалла, как в классическом компьютере, а электроны. Суперпозиция значений 0 и 1 в таком случае может задаваться спином электрона, внутренним моментом импульса этой частицы.

«Сейчас идет бурное обсуждение использования спина электрона в качестве квантового бита в квантовых информационных технологиях, – рассказывает один из авторов исследования, старший научный сотрудник ФИАН, к.ф.-м.н Василий Белых. – В этом смысле электронный спин представляет идеальную двухуровневую систему».

Но проблема в том, что спином электрона надо уметь управлять с помощью разных воздействий и уметь измерять его значение. Этому и посвящено исследование ученых ФИАНа.

Известно, что в магнитном поле спин электрона совершает вращательное движение, прецессию, вокруг направления поля. Именно с помощью этой прецессии и можно задать суперпозицию значений 0 и 1. По квантовым законам спин в результате этой прецессии как бы находится с некоторой вероятностью между условными 0 и 1. Разумеется, чем больше время жизни этой прецессии, время когерентности, тем большее число операций можно успеть выполнить с таким кубитом.

Фундаментальная проблема, которую решили ученые ФИАН, заключается в том, что обычно экспериментатор наблюдает не один электрон, а ансамбль из миллионов электронов, и, соответственно, измеряет усредненную прецессию спина, поскольку измерить спин отдельного электрона очень сложно. Но частоты прецессии спинов отдельных электронов немного различаются. Разброс этих частот приводит к затуханию среднего значения спина за время, которое гораздо короче истинного времени когерентности отдельных спинов. Более того, окружение электронов меняется во времени, что укорачивает время когерентности уже отдельных электронов.

«В нашей работе мы решили эти проблемы, прикладывая к ансамблю электронных спинов осциллирующее радиочастотное магнитное поле, резонансное с частотой спиновой прецессии, и оптические импульсы, следующие на частоте также близкой к резонансной», – раскрывает технологию управления электронным спином Василий Белых.

Такое воздействие вызывает «сдвоенный» спиновый резонанс ансамбля из миллионов электронов, в результате которого усредненная прецессия спинов этого ансамбля не размывается быстро из-за всевозможных «шумов и помех», а ее время совпадает со временем прецессии отдельных электронов. Таким образом, это время можно измерить в эксперименте по среднему значению для всего ансамбля, а не по измерениям отдельных электронов, которое связано с большими трудностями. И самое главное, что подобный двойной резонанс как бы изолирует электронные спины от «помех», значительно увеличивая время спиновой когерентности отдельных электронов.

«Наша работа предлагает принцип, в котором электронные спины синхронизируются и отвязываются от шумного окружения осциллирующим полем, по аналогии с классической компьютерной терминологией – размещаются на общей шине. А далее осуществляется когерентное управление такими спинами с использованием оптических импульсов, – обобщает итог исследования Василий Белых. – Мы продемонстрировали эти эффекты в системе редкоземельных ионов церия (Ce³⁺), встроенных в решетку алюмо-иттриевого граната (YAG), где для многомиллионного спинового ансамбля измерили рекордно узкий, то есть рекордно синхронизированный по частоте, спиновый резонанс шириной всего в несколько десятков герц и время спиновой когерентности в 9 мс».

Более подробную информацию см. в статье журнала Physical Review Letters.

Редакция сайта РАН