Квантовая технология на основе эрбия: как разные матричные материалы влияют на характеристики и поведение кубитов
Квантовая технология — это область науки и инженерии, которая использует свойства квантовой механики для создания новых устройств и приложений. Одним из ключевых элементов квантовой технологии являются кубиты — квантовые аналоги битов, которые могут находиться в суперпозиции двух состояний одновременно. Кубиты позволяют реализовать квантовые вычисления, квантовую связь, квантовую криптографию и другие квантовые протоколы.
Однако кубиты — это очень хрупкие объекты, которые легко теряют свою квантовую информацию из-за взаимодействия с окружающей средой. Поэтому одной из главных задач исследователей квантовой технологии является поиск или создание кубитов, которые стабильны и легко поддаются управлению. В этой статье мы расскажем о двух недавних прорывах в этом направлении, связанных с использованием атомов эрбия — редкоземельного металла, который имеет уникальные свойства для квантовой технологии.
Эрбий — идеальный кандидат для кубитов
Эрбий — это элемент, который иногда используется в лазерах или для окрашивания стекла. Он принадлежит к группе редкоземельных элементов, которые имеют специфическую электронную конфигурацию. Это означает, что электроны этих элементов могут находиться на разных уровнях энергии, которые определяются квантовыми числами. Эти уровни энергии могут быть использованы для кодирования квантовой информации, то есть для создания кубитов.
Эрбий имеет несколько преимуществ перед другими редкоземельными элементами в качестве кубита. Во-первых, он может эффективно передавать квантовую информацию по тому же типу оптоволокна, которое используется для интернета. Это делает его идеальным для квантовой связи, которая требует надежной и быстрой передачи квантовых состояний на большие расстояния. Во-вторых, его электроны расположены таким образом, что он особенно устойчив к тем изменениям окружения, которые могут привести к потере квантовой информации. Это делает его идеальным для квантовой памяти, которая требует длительного сохранения квантовых состояний.
Однако эрбий не может быть использован в чистом виде для создания кубитов. Его нужно помещать в другие материалы, которые называются матричными материалами, где он заменяет некоторые из исходных атомов материала. Эти матричные материалы играют важную роль в определении свойств и поведения кубитов на основе эрбия. В зависимости от выбора матричного материала, кубиты на основе эрбия могут иметь разные характеристики, такие как частота, когерентность, совместимость
Два новых подхода к созданию кубитов на основе эрбия
Недавно две исследовательские группы — одна из квантового стартапа memQ, партнера Чикагского квантового обмена (Chicago Quantum Exchange), и другая из Национальной лаборатории Аргонна (Argonne National Laboratory) под эгидой Министерства энергетики США, члена CQE — продемонстрировали два новых подхода к созданию кубитов на основе эрбия, используя разные матричные материалы. Оба подхода решают проблемы, с которыми сталкиваются исследователи квантовых вычислений: создание многокубитных устройств и увеличение времени, в течение которого кубиты могут хранить информацию.
Первый подход, разработанный memQ, заключается в выборочной активации кубитов на основе эрбия с помощью лазера. Этот подход позволяет контролировать расположение и свойства кубитов в матричном материале, несмотря на то, что атомы эрбия разбросаны по всему материалу случайным образом. Для этого memQ использовал диоксид титана (TiO2) в качестве матричного материала, который имеет две возможные кристаллические конфигурации. Атомы эрбия, вставленные в решетку TiO2, будут обмениваться информацией на разной частоте в зависимости от конфигурации TiO2, в которой они находятся. С помощью мощного лазера memQ смог изменить конфигурацию TiO2 вокруг определенных атомов эрбия, тем самым выбирая, какие атомы эрбия использовать в качестве кубитов. Этот подход позволяет проектировать многокубитные устройства с заданным расположением и частотой кубитов.
Второй подход, разработанный лабораторией Аргонна, заключается в достижении длительных времен когерентности кубитов на основе эрбия. Этот подход позволяет увеличить время, в течение которого кубиты могут сохранять квантовую информацию, минимизируя влияние окружающей среды. Для этого лаборатория Аргонна использовала диоксид церия (CeO2) в качестве матричного материала, который имеет только одну кристаллическую конфигурацию и очень симметричен. Атомы эрбия, вставленные в решетку CeO2, будут видеть одну и ту же кристаллическую среду и поэтому будут более стабильны и когерентны. Этот подход позволяет удерживать квантовую информацию в кубитах на длительное время, что необходимо для выполнения сложных квантовых алгоритмов.
Квантовая технология на основе эрбия — перспективное направление
Как видим, квантовая технология на основе эрбия представляет собой перспективное направление, которое может привести к созданию новых квантовых устройств и приложений. Атомы эрбия имеют уникальные свойства, которые делают их идеальными кандидатами для кубитов. Однако для реализации этого потенциала необходимо учитывать роль матричных материалов, в которые вводятся атомы эрбия. В зависимости от выбора матричного материала, кубиты на основе эрбия могут иметь разные характеристики, которые влияют на их производительность и функциональность. Поэтому материаловедение является ключевым аспектом для развития квантовой технологии на основе эрбия.
Два недавних прорыва в этой области, продемонстрированные memQ и лабораторией Аргонна, показывают, как можно использовать разные матричные материалы для решения двух важных проблем квантовых вычислений: создания многокубитных устройств и увеличения времени когерентности кубитов. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки, и требуют дальнейшего исследования и оптимизации. Однако они также открывают новые возможности для квантовой технологии на основе эрбия, которая может стать основой для создания мини-Солнца — квантового источника энергии, который может имитировать термоядерный синтез, происходящий в звездах. Такая технология может иметь огромное значение для решения глобальных проблем, связанных с энергетикой, экологией и безопасностью.