Последний шаг к квантовому интернету: кубит, который не нужно изолировать

Ученым удалось создать новый тип молекулярного кубита, который может стать основой для соединения квантовых компьютеров через уже существующие телекоммуникационные сети. Такая технология потенциально приблизит появление распределенной квантовой инфраструктуры, часто называемой квантовым интернетом.

В центре разработки — элемент эрбий. Он обладает оптическими и магнитными свойствами, позволяющими передавать квантовую информацию на тех же длинах волн, что и обычные волоконно-оптические линии связи. Благодаря этому кубит на основе эрбия можно проще встраивать в кремниевые чипы, что открывает путь к более компактным и интегрированным квантовым устройствам. Исследование опубликовано 2 октября в журнале Science, где авторы назвали свою разработку перспективным строительным блоком для масштабируемых квантовых технологий — от сверхзащищенных каналов связи до распределенных вычислительных сетей.

Разработки для будущего квантового интернета ведутся активными темпами. Недавно ученые представили экспериментальный чип, способный передавать квантовые сигналы по реальным оптоволоконным линиям. В новом исследовании авторы сосредоточились на создании кубита, который сможет эффективно работать в составе таких систем.

Как пояснил руководитель работы Дэвид Ошалом из Чикагского университета, демонстрация универсальности кубита на основе эрбия показывает, что технология способна подключаться напрямую к современным оптическим сетям.

Кубиты являются квантовым аналогом классических битов, но ведут себя по законам квантовой механики. Если обычный бит может быть либо нулем, либо единицей, квантовый кубит способен находиться в суперпозиции состояний. В квантовых вычислениях используются различные виды кубитов, среди которых сверхпроводниковые схемы, ионы в ловушках и фотоны. Молекулярные кубиты выделяются тем, что используют отдельные молекулы, обычно построенные вокруг редкоземельных металлов. Их квантовое состояние определяется спином электрона, который можно настраивать и считывать.

Новый кубит на основе эрбия сочетает свойства спинового и фотонного кубита. Он хранит информацию в магнитном состоянии, а считывается при помощи оптических сигналов. В эксперименте ученые показали, что спин атома эрбия можно перевести в контролируемую суперпозицию. Поскольку состояние спина влияет на длину волны испускаемого света, исследователи смогли считывать квантовое состояние стандартными оптическими методами.

Авторы сравнивают такую молекулу с миниатюрным мостом между мирами магнетизма и оптики. Информация может кодироваться в магнитном состоянии и извлекаться светом на длинах волн, совместимых с существующими волоконными сетями и кремниевой фотоникой.

Работа на телеком-волнах дает два ключевых преимущества. Во-первых, такие сигналы проходят большие расстояния с минимальными потерями, что критично для передачи квантовых данных по оптоволокну. Во-вторых, свет в этом диапазоне легко проходит через кремний, не поглощаясь и не теряя информацию. Это делает эрбиевые кубиты удобными для чипов, где фотонные компоненты располагаются под поверхностью материала.

По словам Ошалома, масштабируемость — еще одна сильная сторона технологии. Каждый кубит представляет собой одиночную молекулу, в десятки тысяч раз меньшую толщины человеческого волоса. Ее свойства можно настраивать синтетическими методами, что позволяет интегрировать такие кубиты в самые разные среды — от твердотельных устройств до живых клеток. Такой уровень гибкости может помочь решить одну из главных инженерных задач квантовых вычислений: совместимость с уже существующей технологической базой.

Исследователи подчеркивают, что интеграция кубитов прямо в чипы станет важным шагом на пути к масштабируемым квантовым системам. Сейчас команда работает над размещением таких молекулярных кубитов в интегрированных устройствах и ожидает, что это откроет новые возможности для управления, считывания и связывания квантовых элементов между собой.