Поместив молекулярные кубиты в асимметричный массив кристаллов, профессор Дэвид Авшалом и его команда обнаружили, что определенные квантовые состояния гораздо менее чувствительны к внешним магнитным полям. Авторы и права: Awschalom Group, Д. Лаоренца/MIT

Концепция «симметрии» имеет важное значение для фундаментальной физики: ключевой элемент во всем, от субатомных частиц до макроскопических кристаллов. Соответственно, отсутствие симметрии — или асимметрия — может сильно повлиять на свойства данной системы.

Кубиты, квантовый аналог компьютерных битов для квантовых компьютеров, чрезвычайно чувствительны — малейшего возмущения в системе кубитов достаточно, чтобы она потеряла всю квантовую информацию , которую она могла нести. Учитывая эту хрупкость, кажется интуитивно понятным, что кубиты будут наиболее стабильны в симметричной среде. Однако для определенного типа кубита — молекулярного кубита — верно обратное.

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета, Университета Глазго и Массачусетского технологического института обнаружили, что молекулярные кубиты гораздо более стабильны в асимметричной среде, что расширяет возможности применения таких кубитов, особенно в качестве биологические квантовые сенсоры.

Работа была опубликована в августе в Physical Review X.

«Молекулярные кубиты удивительно универсальны, поскольку их можно проектировать по индивидуальному заказу и помещать в самые разные среды», — сказал Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии и физики семьи Лью в Калифорнийском университете в Чикаго, старший научный сотрудник в Аргонне, директор Чикагского квантового института. Обмен и директор Q-NEXT, научного центра квантовой информации Министерства энергетики. «Разработка этого метода их стабилизации открывает новые возможности для потенциального применения этой новой технологии».

Использование системы в качестве кубита требует, чтобы она имела два квантовых состояния, которые могут соответствовать «0» и «1», как в классическом компьютере. Но квантовые состояния хрупки и разрушатся, если их каким-либо образом потревожить. Ученые-кванты раздвигают пределы того, как долго они могут заставить кубит удерживать квантовое состояние, прежде чем коллапсировать, также известное как «время когерентности».

Защита кубитов от максимально возможного внешнего воздействия — это один из способов попытаться увеличить время их когерентности, и, поместив молекулярные кубиты в асимметричный кристаллический массив, Авшалом и его команда обнаружили, что определенные квантовые состояния гораздо менее чувствительны к внешним магнитным полям и, таким образом, имел более длительное время когерентности: 10 мкс по сравнению с 2 мкс для идентичных кубитов в симметричном массиве кристаллов.

Дэн Лаоренца, аспирант-химик Массачусетского технологического института, который работал над проектом, говорит, что асимметричная среда обеспечивает «защиту когерентности», которая может позволить кубитам сохранять свою квантовую информацию, даже если они размещены в более хаотических местах.

«Теперь мы понимаем прямой и надежный механизм улучшения когерентности молекулярных кубитов в средах с магнитным шумом», — сказал он. «Самое главное, эта асимметричная среда легко переносится на многие другие молекулярные системы, особенно для молекул, помещенных в аморфные среды, подобные тем, которые встречаются в биологии».

Квантовые датчики Qubit имеют множество потенциальных применений в биологических системах, особенно в медицинских контекстах; но эти системы известны своей неструктурированностью и шумностью, что делает поддержание согласованности этих датчиков кубитов очень сложной задачей. Изучение того, почему асимметричная среда стабилизирует молекулярные кубиты по отношению к магнитным полям, может привести к улучшению датчиков в этих областях исследований.