Čínští vědci prodloužili životnost kvantového provázání za pokojové teploty 240krát

Vědci z Univerzity vědy a technologie Číny v Hefei dosáhli výrazného pokroku v oblasti kvantového provázání (entanglementu), když se jim podařilo prodloužit životnost tohoto křehkého jevu při pokojové teplotě až 240krát. Výsledky výzkumu, na jehož čele stáli Shuo Ren a Rui-Jian Liang, publikoval odborný časopis Physical Review Letters.

Kvantové provázání patří k základním jevům, na nichž stojí perspektivní technologie jako kvantové počítače, kvantová komunikace nebo vysoce přesné senzory. Jeho praktické využití však dlouhodobě naráží na zásadní problém: provázané stavy jsou extrémně citlivé na okolní rušení, takzvaný šum, který pochází z tepelných vibrací, elektromagnetického záření nebo interakce s okolními atomy. Čím vyšší je teplota systému, tím rychleji provázání zaniká – proces označovaný jako dekoherence. Právě proto se většina experimentů s kvantovým provázáním dosud odehrávala v laboratořích chlazených na teploty blízké absolutní nule, což komplikuje a prodražuje případné praktické aplikace.

Tým z Hefei se rozhodl tento problém obejít jinou cestou. Namísto snahy o odstínění celého systému od okolního šumu využili výzkumníci strategii přenosu informace mezi dvěma různými nositeli kvantového stavu. Provázané stavy nejprve vytvořili pomocí elektronových spinů spojených s pevnými defekty v krystalové mřížce materiálu – jde o poruchy v pravidelné struktuře krystalu, které se v kvantových technologiích běžně využívají jako takzvané kvantové bity neboli qubity. Elektronové spiny jsou ale vůči okolnímu prostředí velmi citlivé a při pokojové teplotě rychle ztrácejí svůj kvantový stav.

Klíčovým krokem experimentu bylo přenesení entanglementu z elektronových spinů na spiny okolních atomových jader. Atomová jádra jsou totiž vůči vnějšímu šumu podstatně odolnější než elektrony, protože jsou lépe izolovaná od svého okolí a méně náchylná k interakcím, které narušují kvantový stav. Tato vlastnost jader je činí přirozeně vhodnějšími kandidáty pro dlouhodobé uchovávání kvantové informace, dosud se ale nedařilo účinně provázané stavy na jádra přenášet a zachovat je v provázaném režimu po delší dobu při běžných teplotách.

Právě to se čínskému týmu podařilo. Díky přenosu provázání z elektronových na jaderné spiny dosáhli výzkumníci prodloužení doby, po kterou systém zůstává v provázaném stavu, a to při pokojové teplotě, tedy bez nutnosti extrémního chlazení. Zmíněný nárůst životnosti provázání až o 240násobek představuje podle autorů studie významný krok směrem k praktickému využití kvantových jevů mimo specializované, extrémně chlazené laboratorní podmínky.

Výsledek má potenciální dopad na širokou škálu technologií. Delší životnost provázaných stavů při pokojové teplotě by mohla usnadnit vývoj kvantových sítí a kvantové komunikace, kde je stabilita provázaných částic klíčová pro přenos informací na dálku bez ztráty kvantových vlastností. Stejně tak by mohla přispět k rozvoji kvantových senzorů, které využívají provázání k dosažení citlivosti přesahující možnosti klasických přístrojů, a to v oblastech jako je měření magnetických polí, teploty nebo detekce jednotlivých molekul.

Výzkumníci zdůrazňují, že přenos kvantové informace mezi elektronovými a jadernými spiny není zcela nový koncept, dosud se však nepodařilo dosáhnout tak výrazného prodloužení životnosti provázání v podmínkách blízkých běžnému prostředí. Práce týmu z Hefei tak představuje jeden z dosud nejvýznamnějších experimentálních výsledků v úsilí přiblížit kvantové technologie praktickému nasazení mimo speciализované chladicí systémy.

Přestože se jedná o laboratorní experiment a k plnému praktickému využití povede ještě dlouhá cesta, výsledek publikovaný v Physical Review Letters posiluje naději, že budoucí kvantová zařízení nebudou muset být nutně závislá na extrémně nízkých teplotách, což by výrazně snížilo náklady a technickou náročnost jejich provozu. Další výzkum se pravděpodobně zaměří na to, zda lze podobný přístup aplikovat i na jiné typy materiálů a defektů a zda je možné dosažené prodloužení životnosti provázání ještě dále zvýšit.