Cercetătorii extind durata de viață a stării cuantice de entanglement la temperatura camerei de până la 240 de ori
O echipă de cercetători din China a reușit să prelungească durata de viață a stării de entanglement (corelație cuantică) într-un sistem solid, la temperatura camerei, de până la 240 de ori. Studiul, condus de Shuo Ren și Rui-Jian Liang de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China, din Hefei, a fost publicat în revista Physical Review Letters.
Entanglementul cuantic este fenomenul prin care proprietățile mai multor particule rămân corelate indiferent de distanța dintre ele. Această proprietate este explorată tot mai mult pentru senzori cuantici și procesarea informației, unde rețelele de qubiți pot îndeplini sarcini dincolo de limitele sistemelor clasice. Provocarea constantă rămâne faptul că informația cuantică este rapid distrusă de interacțiunea qubiților cu fluctuațiile termice din mediul înconjurător.
O soluție practică studiată intens este reprezentată de defectele de spin – imperfecțiuni la scară atomică în rețelele cristaline ale materialelor solide, ai căror electroni pot stoca informație cuantică în stările lor de spin. Un exemplu este centrul de culoare din carbura de siliciu, ale cărui stări de spin pot fi setate, controlate și citite cu ajutorul luminii și al microundelor.
„Aceste centre de culoare sunt foarte atractive pentru senzorii cuantici, deoarece aducerea spinului aproape de suprafață intensifică interacțiunea cu semnalele externe”, explică coautorul Jin-Shi Xu. „Dezavantajul este că spinul electronic este, de asemenea, mai expus la zgomotul de suprafață, astfel încât coerența și entanglementul său se pot degrada mult mai repede.”
Pentru a rezolva această problemă, echipa a analizat modul în care electronii centrelor de culoare interacționează cu nucleii de siliciu din imediata lor vecinătate. Majoritatea nucleilor de siliciu nu au spin, dar aproximativ 5% sunt izotopul siliciu-29, al cărui spin nuclear se cuplează cu electronul prin interacțiunea hiperfină, permițându-le să devină entangled. Spinii de siliciu-29 sunt dificil de adresat direct, dar sunt mult mai rezistenți la zgomotul de suprafață decât electronii.
Cercetătorii au dezvoltat un protocol de tip „poartă SWAP”: o secvență de impulsuri de control care schimbă stările cuantice a doi qubiți. Odată ce o stare entangled a fost pregătită între electronul unui centru de culoare și un nucleu din apropiere, protocolul a transferat entanglementul către doi nuclei de siliciu-29, unde a fost stocat, fiind apoi remapat înapoi pe electron pentru citire. „Aceasta ne-a permis să folosim electronul pentru control rapid, în timp ce spinii nucleari au servit drept memorie”, explică Xu.
Echipa a pregătit o stare cuantică entangled cu o fidelitate de 94%, o măsură a gradului în care starea corespunde țintei ideale. După transferul în spinii nucleari, fidelitatea a rămas la 92,5%, arătând că aproape nicio informație cuantică nu a fost pierdută. În plus, entanglementul a persistat mai mult de 240 de microsecunde în memoria de spin nuclear, comparativ cu puțin peste 1 microsecundă în cazul electronului singur.
În total, echipa a investigat 200 de centre de culoare individuale din carbură de siliciu cu abundențe izotopice naturale. „Am constatat că peste 10% găzduiesc doi sau mai mulți spini nucleari puternic cuplați, potriviți pentru formarea registrelor cuantice”, spune Xu. „Aceasta indică faptul că astfel de registre sunt ușor disponibile în sistemul nostru.”
Echipa lui Ren și Liang speră că demonstrația oferă o modalitate practică nouă de a menține entanglementul în centrele de culoare aflate aproape de suprafață, chiar și la temperatura camerei, unde informația cuantică din multe alte sisteme este rapid distrusă. „Secvența de poartă SWAP pe care am dezvoltat-o face posibilă mutarea entanglementului în spinii nucleari din apropiere și recuperarea lui atunci când este nevoie”, spune Xu. Rezultatele investigației sugerează, de asemenea, că abordarea nu este limitată la un singur defect selectat special, ceea ce ar putea ajuta la scalarea către aplicații practice de senzori cuantici și procesare a informației.
