Физики обнаружили, что карбид кремния может быть подходящим «сырьем» для кубитов – основных элементов квантовых компьютеров. Это существенно облегчает задачу создания квантовых вычислителей, поскольку технологии работы с карбидом кремния хорошо развиты, и кубиты на его основе будут значительно устойчивее, чем другие типы кубитов, говорится в статье, опубликованной в Physical Review Letters.

Квантовые компьютеры и устройства для обработки квантовой информации – симуляторы, сенсоры и устройства для связи – по-прежнему считаются одной из самых многообещающих альтернатив классическим компьютерам. К несчастью, квантовые биты (кубиты), которые используются для хранения информации в них, обычно очень неустойчивы и сложны в управлении, что сдерживает развитие квантовых вычислений.

Многие научные группы пытаются подобрать такие квантовые объекты и методы обращения с ними, которые с одной стороны достаточно долго сохраняли свое квантовое состояние, а с другой не требовали бы слишком сложной и громоздкой техники для управления ими.

Группа под руководством Дэвида Оушалома из университета Чикаго много лет занимается поиском возможностей в этой сфере. Они, в частности, успешно создавали кубиты на основе дефектов в кристаллической решетке алмазов – так называемых «центров окраски». Эти дефекты могут служить «ловушкой» для атомов, которые, в свою очередь, можно использовать как кубиты.

Квантовое состояние в таких кубитах кодируется в электронных спинах, но более выгодно использовать спины атомных ядер. Они более устойчивы и лучше управляются с помощью ядерного магнитного резонанса. Первые кубиты были основаны именно на использовании ядерных спинов. Однако у этого метода есть несколько недостатков: ими сложно управлять отдельно друг от друга, поэтому из них можно создавать системы только с ограниченным числом кубитов.

Оушалом и его коллеги решили использовать смешанный подход. Они вырастили кристаллы карбида кремния с центрами окраски, затем они поместили образцы в сильное магнитное поле и осветили их инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение поляризовало электронные спины центров окраски. Затем состояние электронных спинов передалось ядрам кремния через сверхтонкое взаимодействие. Обычно поляризация электронных спинов мало влияет на ядерные спины, поскольку у них другая энергия Зеемана. Однако ученые смогли преодолеть это препятствие с помощью внешнего магнитного поля.

В результате исследователи смогли достичь очень высокой поляризации ядерных спинов – до 99,5%. При этом эксперимент проводился при комнатной температуре.

Этот результат – важный шаг в превращении систем на ядерном спине в мощного конкурента другим системам для квантовых вычислений.

Кубиты на основе ядерных спинов могут использоваться как долгоживущая квантовая память – время, на которое они сохраняют квантовое состояние достигают 39 минут (для ядер фосфора в кремнии). Квантовые регистры, основанные на ядерных спинах, уже использовались для выполнения небольших алгоритмов.

Карбид кремния очень удобен в применении – уже существуют технологии выращивания высококачественных монокристаллов, этот материал устойчив к высоким температурам, на его основе можно создавать сложные наноструктуры и наноэлектромеханические системы