Ядерный спин сохранил квантовую информацию при комнатной температуре

Физики из Университета науки и технологий Китая (USTC) продемонстрировали перенос квантового состояния между электронным и ядерным спинами в карбиде кремния при комнатной температуре. Эксперимент показал, что ядерный спин кремния-29 способен служить долговременной квантовой памятью, пока электронный спин используется для быстрых операций и связи.

Такая архитектура важна для квантовых сетей. Электронным спином удобно управлять и связывать его с фотонами, но он быстро теряет когерентность под действием окружающей среды. Ядерный спин взаимодействует со средой слабее и хранит состояние значительно дольше.

Как устроен эксперимент

Исследователи работали с точечным дефектом в карбиде кремния. В этой системе электронный спин связан с ближайшим ядром изотопа кремния-29. Сначала команда подготовила квантовое состояние электронного спина, а затем с помощью операции SWAP перенесла его в ядерную память.

Точность подготовленного состояния составила около 94%, а после переноса в ядерный спин — примерно 92,5%. Это показывает, что обмен информацией между двумя типами спинов возможен без криогенного охлаждения и с относительно небольшими потерями.

Время хранения выросло более чем в 240 раз

Электронное состояние сохранялось чуть более одной микросекунды. После переноса в ядро кремния-29 время когерентности превысило 240 микросекунд. Таким образом, ядерная память удерживала квантовую информацию более чем в 240 раз дольше.

Затем состояние можно вернуть электронному спину для считывания или дальнейших операций. Такое разделение ролей напоминает работу вычислительной системы, где один элемент быстро обрабатывает данные, а другой отвечает за хранение.

Почему выбран карбид кремния

Карбид кремния уже широко применяется в силовой электронике, для него существуют промышленные технологии выращивания кристаллов и изготовления микросхем. Дефектные центры в SiC также могут взаимодействовать со светом, поэтому материал рассматривают как основу для компактных узлов квантовой связи и сенсоров.

Читайте также: Физики объяснили поведение фотона при удалении зеркала.

Работа пока относится к лабораторной физике, а не к готовому квантовому компьютеру. Для масштабирования потребуется повысить точность операций, научиться стабильно связывать множество центров и интегрировать их с фотонными устройствами. Тем не менее эксперимент показывает, что длительное хранение квантового состояния в твёрдом теле возможно при обычной температуре.