Скорость взаимодействия ридберговских кубитов приблизили к фундаментальному пределу

Японским физикам удалось добиться обмена энергией между кубитами на основе ридберговских атомов в наносекундном масштабе, приблизившись к фундаментальному пределу этой платформы. В будущем это позволить производить квантовые вычисления быстрее, чем декогеренция разрушит состояния кубитов. Исследование опубликовано в Nature Photonic.

Несмотря на большое разнообразие физических платформ (сверхпроводящие кубиты, квантовые точки, NV-центры и многое другое), на которых ученые пытаются реализовать квантовый компьютер, общие принципы их построения остаются схожими. Ключевой проблемой при этом остается декогеренция, то есть разрушение хрупких квантовых состояний под действием шумов, для борьбы с которой физики придумывают различные способы изоляции кубитов. Вместе с тем, воздействие окружающей среды на кубиты имеет определенные частоты. Это значит, что эффект от декогеренции можно свести к нулю, если успеть провести все необходимые операции достаточно быстро.

Предел скорости формирования запутанных состояний определяется силой связи между кубитами. В случае с кубитами на основе ридберговских атомов, которые влияют друг на друга с помощью диполь-дипольного взаимодействия, он составляет гигагерцы, что соответствует наносекундному масштабу времени. Существующие методы запутывания ридберговских атомов основаны на методе ридберговской блокады, то есть ситуации, когда возбуждение одного кубита смещает энергетические уровни соседей, из-за чего доступ к ним с помощью внешнего воздействия подавляется. Типичные длительности этого механизма составляют доли микросекунд, что на два порядка больше, чем фундаментальный предел.

Достичь его в ридберговских атомах удалось японским физикам под руководством Кенджи Омори (Kenji Ohmori) из Национального института естественных наук. Для этого они возбуждали соседние ридберговские атомы пикосекундными импульсами и следили за возникающей при этом периодической квантовой динамикой, вызванной сильным диполь-дипольными взаимодействием. Оказалось, что за несколько наносекунд, составляющих половину периода осцилляций, возникает запутанное состояние двух атомов. Авторы использовали это, чтобы реализовать один из квантовых вентилей.

В эксперименте физики пленяли несколько атомов рубидия в массив оптических пинцетов (оптическую решетку), сформированных в фокальной плоскости объектива лазерным лучом с длиной волны 810 нанометров, предварительно пропущенным через голографическую систему. Управляя одним из ее компонентов, а именно бинарной фазовой решеткой, ученые меняли расстояния между атомами в диапазоне от 1,5 до 5 микрометров.

На первом этапе физики применяли каскадное возбуждение атомов сначала из основного |g>=|5S> состояния в возбужденное |e>=|5P> с помощью π-импульса на длине волны 780 нанометров, а затем в ридберговское |d>=|43D> с помощью π-импульса на длине волны 480 нанометров (похожую схему возбуждения недавно использовали американские физики, чтобы превратить ридберговские атомы в приемник видеосигнала). Оба импульса были поляризованы таким образом, чтобы результирующие состояния атомов обладали максимально возможной проекцией орбитального момента mL=2 для подавления лишних взаимодействий.

Когда два ридберговских атома оказывались возбуждены в состояние |d> диполь-дипольное взаимодействие перемешивало их с состояниями |p>=|45P> и |f>=|41F>. Это выражалось в фёрстеровских осцилляциях между двухкубитными незапутанным |dd> и запутанным (|pf⟩+|fp⟩)/√2 состояниями. Возвращая атомы в состояния |e> считывающим импульсом и измеряя сигнал спонтанного излучения для различных времен эволюции и расстояний между атомами, физики убедились в наличии таких осцилляций, а также в том, что они происходят на наносекундном масштабе.

В последней части своего исследования авторы использовали обнаруженных механизм, чтобы реализовать один из квантовых вентилей, а именно контролируемый Z-вентиль или просто CZ-вентиль. Этот вентиль меняет суперпозиционное состояние первого кубита с |0>+|1> на |0>–|1>, в зависимости от того, в каком состоянии второй кубит (состоянию |1> в случае ридберговских атомов ставится в соответствие состояние |d>). Чтобы реализовать вентиль, физики готовили один из атомов в состоянии |e>+|d> и следили за тем, как возбуждение второго атома меняет набег фазы в суперпозиции. С помощью интерферометрии Рамзея исследователи убедились, что нужный эффект возникает шесть с половиной наносекунд взаимодействия, что на два порядка быстрее методов на основе ридберговской блокады.