Исследователи продемонстрировали квантовую систему на атомах тулия, где кубиты сохраняют состояние почти минуту. Это рекордная стабильность, позволяющая повысить точность и надежность квантовых операций.
Упрощенная схема эксперимента и структура кубитных состояний атомов тулия
Источник: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра впервые подробно показали, что нейтральные атомы тулия могут стать надежной платформой для квантовых вычислений.
Каждый атом работает как кубит — минимальный носитель квантовой информации. Управлять его состоянием можно двумя способами — микроволновым излучением и лазером. Это сочетание делает тулий уникальным. Он объединяет преимущества двух групп элементов — как щелочные металлы (рубидий, цезий) обеспечивает точность операций внутри сверхтонкой структуры, а как щелочноземельные (стронций, иттербий) позволяет управлять энергетическими состояниями атомов с помощью оптического излучения.
Главная особенность тулия — долговечность кубитов. Их стабильное квантовое состояние удерживается до 55 секунд — рекордный показатель для атомных систем, где большинство кубитов теряет когерентность за доли секунды. Долговечность объясняется особенностями атомной структуры. Кубиты кодируются в двух сверхтонких подуровнях основного состояния, различающихся ориентацией магнитных моментов ядра и электронов. Энергетическая разница между ними соответствует микроволновой частоте 1497 МГц. Воздействие на эту частоту позволяет «переключать» кубит и управлять его квантовым состоянием, при этом уровни почти не реагируют на внешние магнитные колебания, что делает хранение информации стабильным.
«Главным достижением работы стало удержание стабильного квантового состояния до 55 секунд. Это одно из лучших значений, когда-либо продемонстрированных в мире. Также мы предложили метод “переключения” кубитов между основным состоянием и метастабильным (с временем жизни 112 миллисекунд). Это позволяет защитить квантовую информацию от помех и реализовать ряд протоколов для дополнительного повышения точности квантовых вычислений».
Николай Колачевский
директор ФИАН, академик, соавтор исследования
Все эксперименты проводились на установке, изначально созданной для сверхточных оптических часов на основе атомов тулия. Это демонстрирует универсальность платформы — от точного измерения времени до квантовых вычислений. Тулий сочетает стабильность, точность и управляемость, что делает его перспективным для нового поколения компактных и надежных квантовых устройств.