Учёные придумали идеальную квантовую платформу, но пока только в теории

Исследователи из Массачусетского технологического института предложили принципиально новый метод управления ядерными спинами, который может устранить ключевое препятствие на пути к созданию масштабируемых квантовых сетей. Теоретическая работа демонстрирует, как с помощью лазерного света можно напрямую влиять на состояние атомных ядер, выступающих в роли долгоживущих кубитов, открывая путь к их интеграции в оптические квантовые системы.

Прямое управление ядром: преодоление фундаментального разрыва

Атомные ядра считаются одними из самых стабильных носителей квантовой информации — их квантовые состояния способны сохраняться на протяжении часов. Однако их практическое использование в качестве кубитов для квантовой связи и распределенных вычислений сталкивалось с непреодолимой, казалось бы, проблемой. Фотоны, являющиеся основным «транспортом» для данных в оптических сетях, практически не взаимодействуют с ядрами напрямую из-за колоссального несоответствия их характерных энергетических масштабов. До сих пор управление ядерными спинами осуществлялось опосредованно, через воздействие на электронные оболочки атома, что усложняло архитектуру и снижало эффективность.

Ключ к взаимодействию — электрический квадрупольный момент

Группа под руководством профессора Паолы Каппелларо обнаружила механизм, позволяющий лазерным фотонам напрямую влиять на спиновое состояние ядра. Решение кроется в использовании внутреннего свойства некоторых ядер — электрического квадрупольного момента. Этот параметр определяет, как ядро взаимодействует с локальным электрическим полем, создаваемым электронной структурой атома и кристаллической решеткой.

Ученые теоретически показали, что, воздействуя лазерным излучением определенной длины волны на это окружающее ядро электрическое поле, можно модулировать его конфигурацию. Это изменение, в свою очередь, вызывает предсказуемое отклонение спина ядра на строго заданный угол. Таким образом, фотон через квадрупольную связь получает «рычаг» для управления ядерным кубитом, а частота фотона становится кодом для конкретной квантовой операции.

Перспективы для архитектуры квантовых систем

Предложенный механизм открывает путь к созданию гибридных квантовых устройств, где различные платформы оптимально выполняют свои функции. Долгоживущие и изолированные ядерные спины могут выступать в роли идеальных узлов квантовой памяти или стабильных вычислительных кубитов. А быстрые и легко передаваемые фотоны будут использоваться для записи информации в эту память, считывания результатов вычислений и организации связи между отдельными модулями будущего квантового интернета.

Помимо квантовых вычислений и связи, новая методика прямого оптического контроля найдет применение в сверхчувствительной спектроскопии и создании нового поколения квантовых сенсоров магнитных и электрических полей с беспрецедентным пространственным разрешением.

Работа команды MIT пока остается теоретической, и следующий критически важный этап — экспериментальная проверка предложенной модели в лабораторных условиях. Если гипотеза подтвердится, это станет переломным моментом. Долгое время область квантовых технологий развивалась по пути поиска идеального универсального кубита. Сейчас тренд смещается в сторону создания гетерогенных систем, где разные физические системы — сверхпроводящие цепи, ионы, фотоны — выполняют специализированные задачи. Включение в этот ансамбль управляемых оптически ядерных спинов с их феноменальной когерентностью может предоставить архитекторам квантовых компьютеров тот недостающий, крайне надежный элемент, который необходим для преодоления барьера масштабируемости.