Четыре музыканта играют слаженно, только если держатся за руки. В квантовом мире такую цепочку образуют четыре электрона в четырёх соседних квантовых точках — крошечных ловушках для заряда. Это основа SAGE-кубита (от английского «всегда включённый бесщелевой обмен на синглетах»). В отличие от обычных обменных кубитов, где информация кодируется в состояниях трёх электронов, здесь вся конструкция построена на синглетах — парах электронов с противоположными спинами. Вместе они ведут себя как одна частица без магнитного момента. Поэтому локальные магнитные поля, создаваемые ядрами атомов в материале, не могут испортить квантовое состояние: для синглета они просто невидимы, как радиопомехи для проводного телефона.
Но у постоянного контакта есть цена. Обменное взаимодействие, которое связывает электроны в цепочку, работает непрерывно — оно «всегда включено». Это как держать дверь открытой: звукоизоляция страдает. В квантовой системе роль шума играют флуктуации электрического поля. Они слегка сдвигают уровни энергии в точках или меняют проницаемость барьеров между ними. Такие помехи называют зарядовым шумом, и для SAGE-кубита он оказывается главным врагом. Авторы работы смоделировали этот процесс, отталкиваясь от модели Хаббарда — математического описания того, как электроны перепрыгивают между точками и отталкиваются друг от друга.
Оказалось, что время когерентности — период, в течение которого кубит сохраняет полезную информацию, — можно заметно растянуть. Для этого применяют последовательности импульсов, похожие на эхо-сигналы: кубит периодически «встряхивают», заставляя шум усредняться и самоуничтожаться. Такой метод, известный как динамическая развязка, напоминает работу шумоподавления в наушниках, которые генерируют встречную звуковую волну. В экспериментально достижимых условиях время жизни одиночного кубита увеличивается в разы. А для двухкубитных вентилей, где две цепочки электронов должны взаимодействовать, предложена простая стратегия перефокусировки: медленное включение операции подавляет утечку в запрещённые состояния, словно плавный разгон автомобиля вместо резкого старта с пробуксовкой.
Так инженерная мысль превращает недостаток — всегда открытый канал связи — в достоинство. Магнитная слепота синглетов и непрерывный обмен вместе дают кубит, который не нужно постоянно настраивать и защищать от вездесущих ядерных полей. А с правильно подобранным ритмом импульсов он становится почти таким же живучим, как и его более громоздкие собратья. Когда-нибудь из таких кирпичиков можно будет сложить квантовый процессор, которому не страшны ни болтовня атомных ядер, ни дрожь электрических полей.
Синглетное состояние двух электронов — один из немногих примеров в природе, когда две частицы ведут себя как единое целое с нулевым магнитным моментом. Это похоже на идеально сбалансированную пару танцоров, вращающихся в противоположные стороны.
В романе «Город перестановок» Грега Игана люди сканируют свой мозг в квантовые компьютеры, чтобы жить в виртуальной реальности. Там любая декогеренция — смерть, поэтому кубиты, нечувствительные к магнитным полям, могли бы стать идеальными носителями цифрового бессмертия.