Художественное изображение химически модифицированной углеродной нанотрубки, содержащей вращающийся электрон в качестве кубита. 
Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

Ученые энергично соревнуются в том, чтобы преобразовать противоречивые открытия о квантовой сфере прошлого века в технологии будущего. Строительным блоком в этих технологиях является квантовый бит или кубит. В стадии разработки находится несколько различных типов, в том числе те, в которых используются дефекты в симметричных структурах алмаза и кремния. Однажды они могут преобразовать вычислительную технику, ускорить открытие лекарств, создать сети, которые невозможно взломать, и многое другое.

Работая с исследователями из нескольких университетов, ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) открыли метод внедрения вращающихся электронов в качестве кубитов в наноматериал-хозяин. Результаты их испытаний показали рекордно долгое время когерентности — ключевое свойство любого практического кубита, поскольку оно определяет количество квантовых операций, которые могут быть выполнены за время жизни кубита.

Электроны обладают свойством, аналогичным вращению волчка, но с одним ключевым отличием. Когда волчки вращаются на месте, они могут вращаться вправо или влево. Электроны могут вести себя так, как если бы они вращались в обоих направлениях одновременно. Это квантовая особенность, называемая суперпозицией. Нахождение в двух состояниях одновременно делает электроны хорошими кандидатами на роль спиновых кубитов.

Спиновым кубитам нужен подходящий материал для их размещения, контроля и обнаружения, а также для считывания с них информации. Имея это в виду, команда решила исследовать наноматериал, который состоит только из атомов углерода , имеет полую трубчатую форму и имеет толщину всего около одного нанометра или миллиардной доли метра, что примерно в 100 000 раз тоньше, чем ширина человеческая прическа.

«Эти углеродные нанотрубки обычно имеют длину несколько микрометров», — сказал Сюэдань Ма. «Они в основном свободны от флуктуирующих ядерных спинов, которые мешали бы вращению электрона и уменьшали время его когерентности».

Ма — ученый из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), пользовательского учреждения Управления науки Министерства энергетики США. Она также работает в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета и в Северо-Западном Аргоннском институте науки и техники Северо-Западного университета.

Проблема, с которой столкнулась команда, заключается в том, что углеродные нанотрубки сами по себе не могут удерживать вращающийся электрон в одном месте. Он движется по нанотрубке. Прошлые исследователи вставляли электроды на расстоянии нанометров друг от друга, чтобы удерживать между ними вращающийся электрон. Но эта схема громоздкая, дорогая и сложная для масштабирования.

Нынешняя команда разработала способ устранить необходимость в электродах или других наноразмерных устройствах для удержания электрона. Вместо этого они химически изменяют атомную структуру углеродной нанотрубки таким образом, что вращающийся электрон захватывается в одном месте.

«К нашему большому удовольствию, наш метод химической модификации создает невероятно стабильный спиновый кубит в углеродной нанотрубке», — сказал химик Цзя-Шианг Чен. Чен является членом CNM и научным сотрудником с докторской степенью в Центре молекулярно-квантовой трансдукции Северо-Западного университета.

Результаты испытаний группы выявили рекордно долгое время когерентности по сравнению с системами, созданными другими способами — 10 микросекунд.

Учитывая их небольшой размер, платформу спиновых кубитов легче интегрировать в квантовые устройства, и она позволяет использовать множество возможных способов считывания квантовой информации. Кроме того, углеродные трубки очень гибкие, и их вибрации можно использовать для хранения информации от кубита.

«От нашего спинового кубита в углеродной нанотрубке до практических технологий еще очень далеко , но это большой первый шаг в этом направлении», — сказал Ма.

Выводы команды были опубликованы в Nature Communications.