Секунда для кубита в кристалле экспресс
Удержать в памяти номер телефона, пока вокруг кричат и хлопают дверьми, почти невозможно. Примерно так живёт квантовый бит — кубит — в обычном материале: ядра соседних атомов, словно крошечные магнитики, постоянно дёргают его и стирают информацию. Чтобы кубит не забывал, нужно найти для него тихое место.
Таким убежищем оказался оксид церия — порошок, похожий на белую глину. В нём очень мало атомов с магнитными ядрами, поэтому шум почти замолкает. Когда в этот порошок добавляют редкий металл эрбий (всего несколько атомов на миллиард), получается идеальная среда: эрбиевый кубит может хранить квантовое состояние целую секунду. Для сравнения: за это время свет пролетает расстояние до Луны и обратно.
Но есть хитрость. Учёные нашли особые точки — их называют «часовыми переходами», — где кубит становится глух к магнитной болтовне окружения. В этих точках, да ещё при температуре ниже одного кельвина (холоднее, чем в открытом космосе), время жизни резко взлетает. А если использовать ловкий трюк — серию быстрых импульсов, которые как бы переворачивают кубит в такт помехам, — шум удаётся подавить ещё сильнее.
Хорошая новость: оксид церия отлично уживается с кремниевыми чипами, на которых построена вся современная электроника. А значит, квантовую память можно будет встраивать прямо в привычные схемы. Крошечный кристаллик, выросший на кремнии, хранит запутанные состояния, пока свет по соседнему волокну разносит их по квантовой сети. Тихий уголок для кубита найден — теперь дело за инженерами.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2605.07332
Rare-earth-ion-doped crystals has emerged as a promising platform for quantum technologies, owing to their narrow telecom-band optical emission, long spin memory, and compatibility with silicon integrated photonic architectures. However, the realization of scalable quantum devices requires host materials with intrinsically dilute spin environments to suppress decoherence. In this context, erbium (Er$$^{3+}$$) doped cerium oxide (CeO$$_2$$) is an attractive candidate due to the ultra-low concentration of nuclear spins in the host matrix and its compatibility with silicon-based technologies. Here we perform a comprehensive investigation of the coherence properties of Er$$^{3+}$$ electron spin qubit in CeO$$_2$$ via semiclassical as well as detailed cluster correlation expansion simulations. By systematically exploring magnetic field strength, pulse sequences, erbium concentration, and spin temperature, we identify regimes where decoherence from the spin bath is strongly suppressed. Our investigations illustrate that at dilute doping concentration (of the order of 10 ppb) and sub-Kelvin temperatures, operation near clock transitions enables Hahn-echo coherence times to approach the second timescale even at natural isotopic abundance. Importantly, from a practical standpoint, coherence times on the order of $$\sim 10$$ ms are expected even at liquid helium temperature (about 2 K) for similar concentrations. Moreover, we demonstrate that an additional enhancement can be obtained with conventional multi-$$\pi$$-pulse dynamical decoupling protocols. Thus, our findings establish Er$$^{3+}$$ doped CeO$$_2$$ as a front-runner for realizing spin qubits, quantum memories, and integrated quantum networks.
Эрбий — тот самый элемент, который усиливает сигнал в оптоволоконных линиях, пробегающих по дну океанов. Теперь он может пригодиться и для квантового интернета — только уже в роли хранителя информации.
В романе «Квантовый вор» Ханну Райаниеми человеческие воспоминания хранятся в квантовых состояниях и «перезагружаются» после смерти — примерно такую долговечную память и обещают эрбиевые кристаллы.