На сегодняшний день среди специалистов пока нет единого мнения о ведущей платформе для создания универсального квантового компьютера. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Так, сверхпроводниковые устройства обладают малым временем выполнения операций и хорошей масштабируемостью, то есть возможностью изменения размера системы. Но они очень чувствительны к внешним воздействиям и легко теряют когерентность (квантовое состояние), что приводит к ошибкам. У них высокая стоимость и сложное управление. Ионные кубиты демонстрируют непревзойдённые времена когерентности и высокую точность работы, но низкую скорость и масштабируемость. Перспективным материалом служат нейтральные атомы, обладающие богатым спектром оптических переходов и метастабильных состояний, на которых и строится их работа. Кубиты из них имеют высокую масштабируемость, длительное время когерентности и возможность размещения большого количества кубитов в небольшом пространстве. Они также позволяют создать гибридные системы, использующие одновременно два или более различных типов частиц, что значительно расширяет инструментарий для квантового моделирования и механизмов коррекции ошибок.
Однако текущие исследования по применению нейтральных атомов в квантовых вычислениях в основном сосредоточены на щелочных металлах (например рубидий и цезий) и щелочноземельных элементах (например стронций и иттербий). Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Российского квантового центра впервые досконально изучили свойства нейтральных атомов тулия как перспективного материала для создания кубитов. Научная статья с результатами исследования опубликована в топовом журнале PRX Quantum*.
Тулий (Tm) — редкоземельный элемент, обладающий энергетической структурой, которая позволяет объединить преимуще-ства использования для создания кубитов щелочных и щелочноземельных металлов. Первые демонстрируют надёжность и точность квантовых операций внутри сверхтонкой структуры, а вторые — открывают возможности для управления энергетическими состояниями атомов с помощью оптического излучения. Это, в свою очередь, позволяет реализовать широкий спектр квантовых алгоритмов.
Поясним терминологию. Из-за релятивистского движения электрона и взаимодействия его спина с орбитальным магнитным моментом происходит расщепление энергетических уровней на подуровни. Такое явление приводит к тому, что каждая «макроскопическая» спектральная линия на самом деле состоит из нескольких близко расположенных линий, которые называют тонкой структурой. Из-за взаимодействия спина ядра с электронной оболочкой также возникает расщепление энергетических уровней атома, причём расстояние между подуровнями в данном случае оказывается примерно в 1000 раз меньше, чем в случае тонкой структуры. Поэтому эти линии назвали сверхтонкой структурой.
Кубиты на основе нейтральных атомов кодируются с помощью сообщения атому энергии, соответствующей сверхтонким подуровням основного состояния. В данной работе разница в энергии между выбранными подуровнями соответствует микроволновой частоте 1497 МГц. Воздействуя на атом на этой частоте, можно «переключать» кубит, то есть управлять его квантовым состоянием.
Преимущество атомов тулия как основы для квантовых вычислений связано с тем, что выбранные для кодирования подуровни почти не реагируют на колебания внешнего магнитного поля. В результате информация, записанная в таком кубите, может храниться десятки секунд, что для квантового мира считается почти вечностью.
В рассматриваемой работе авторы как раз и исследовали время когерентности уровней кубита, определяющее время хранения квантовых состояний. Это ключевой параметр для квантовых вычислений, который часто ограничивает их точность. Для сверхтонкого кубита из тулия исследователи получили поразительно большое время когерентности, достигающее почти одной минуты при минимальном внешнем управлении, — значение, сопоставимое с рекордным для нейтральных атомов. Как отметил соавтор исследования, директор ФИАН академик Николай Николаевич Колачевский: «Главным достижением работы стало удержание стабильного квантового состояния до 55 секунд. Это одно из лучших значений, когда-либо продемонстрированных в мире».
Исследователи показали также возможности эффективного управления квантовым состоянием кубитов из тулия как с помощью микроволнового излучения, так и посредством лазеров. Оптическим лазерным излучением с длиной волны 1140 нм производилось «переключение» кубитов между основным состоянием |g> и метастабильным |m> (с временем жизни 112 миллисекунд) непосредственно перед процедурой считывания состояния. Это позволяет защитить квантовую информацию от помех и реализовать ряд методов для дополнительного повышения точности квантовых вычислений, обнаружения и исправления ошибок.
Кроме того, когерентный перенос и хранение состояния кубита на метастабильном уровне — первый шаг к реализации архитектуры квантовых компьютеров на кудитах — устройствах, находящихся в суперпозиции более двух основных состояний, что обещает предоставить больше способов хранения и обработки квантовой информации. Этот подход может быть также адаптирован для создания архитектуры «omg» (optical-metastable-ground state qubit — кубит в оптическом/метастабильном/основном состоянии) в атомах тулия. Она использует три различных типа кубитов в пределах одного атома для достижения расширенных функциональных возможностей. Помимо упомянутых стандартных основного и метастабильного состояний, архитектура «omg» использует их расщепление с энергией, соответствующей оптической частоте.
Примечательно, что все эксперименты проводились на установке, которую изначально создали для разработки компактных сверхточных атомных оптических часов на основе тулия. Это говорит о том, что данный материал перспективен для самых разных направлений развития квантовых технологий. Переход с помощью лазерного излучения с длиной волны 1140 нм между подуровнями тонкой структуры основного состояния атомов тулия как раз используется в оптических часах, для которых исследователями были разработаны различные методы манипулирования атомами, в том числе захват используемых частиц в оптическую решётку после двухэтапного лазерного охлаждения. В ней они удерживаются на время работы. Для возбуждения сверхтонкого перехода между подуровнями основного состояния применяли микроволновое излучение с частотой 1497 МГц.
Однако использование готовой установки имело и некоторые отрицательные последствия. Так, флуктуации магнитного поля сильно ограничивают достигаемое время когерентности, поскольку оборудование не было оснащено какими-либо специальными системами защиты от них. Это воздействие может быть значительно снижено путём установки пассивных магнитных экранов, применения активной стабилизации или расширения динамической развязки.
Исследователи планируют дальнейшее развитие методов, продемонстрированных в данной работе. Кроме того, они ожидают улучшения времени когерентности и точности манипулирования состояниями при переходе к отдельным атомам в массиве оптических пинцетов.
Комментарии к статье
* Mishin D., Tregubov D., Kolachevsky N. and Golovizin A. Coherence of Microwave and Optical Qubit Levels in Neutral Thulium. PRX Quantum 6, 040329 — Published 10 November, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/f8xg-w57m.
