Учёные Гарварда использовали звуковые волны для защиты квантовой информации

Учёные из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) под руководством Марко Лончара продемонстрировали новый способ защиты квантовой информации, используя механические колебания — по сути, микроскопические звуковые волны. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Как работают звуковые волны в квантовых системах

В основе метода лежит использование фононов — крошечных пакетов механических колебаний. Они служат переносчиками квантовой информации между узлами квантовой сети. Один из перспективных подходов хранит квантовую информацию в спине электрона, связанного с примесью в алмазе. Фононы затем передают эту информацию между кубитами.

Фононы имеют важные преимущества перед светом, который чаще используется для передачи квантовой информации в сетях на уровне микрочипов. При одинаковой частоте фононы имеют значительно более короткие длины волн, чем свет, что позволяет создавать намного более компактные компоненты и размещать их плотнее. Кроме того, фононы хорошо взаимодействуют как с твёрдотельными спинами, так и с электромагнитными полями, что делает их привлекательными для гибридных квантовых технологий.

Проблема защиты квантовой памяти

Однако использование фононов создаёт серьёзную сложность: защиту квантовой памяти. Кубиты чрезвычайно чувствительны к помехам из окружающей среды. Чтобы оставаться полезными, они должны сохранять своё квантовое состояние достаточно долго для хранения и обработки информации — это свойство называется когерентностью.

Традиционно исследователи защищают квантовую память от внешних помех с помощью микроволновых импульсов, которые отделяют память от окружающего шума. Однако такие методы плохо работают для кубитов, размещённых внутри фонических полостей, что создавало дилемму: было сложно одновременно достичь сильного взаимодействия с фононами и долгой квантовой памяти в одном устройстве.

Решение: механическая защита когерентности

Команда SEAS решила эту проблему, разработав метод, который они назвали всемеханической защитой когерентности для спина кремниевой вакансии в алмазе. Вместо использования обычных микроволновых импульсов исследователи непрерывно применяли механическое управляющее поле, созданное из фононов. Это преобразовало кубит в другой вид квантового состояния, известный как «одетый кубит».

Термин «одетый» означает, что кубит эффективно «носит» непрерывное акустическое поле. В таком состоянии кубит становится менее уязвим для низкочастотного шума из окружающей среды. Поскольку защита обеспечивается непрерывным механическим полем, совместимым с фоническими полостями, эта техника может работать внутри тех же структур, которые в будущем могут соединять стационарные узлы квантовых сетей.

Двойная роль фононов

Это открывает для фононов потенциально мощную двойную роль: они могут одновременно транспортировать квантовую информацию между разными частями сети и защищать эту информацию от шума окружающей среды. Как отметила Элиза Корнелл, недавний выпускник лаборатории Лончара, ныне работающий постдоком в Бостонском университете: «Мы решаем две проблемы. Мы хотим, чтобы спин имел сильное взаимодействие с фононами, и мы хотим, чтобы спин имел долгое время когерентности».

Результаты и перспективы

С помощью нового метода исследователи увеличили время когерентности спина кремниевой вакансии примерно в три раза. Результат демонстрирует, что непрерывное подавление механического шума может продлить квантовую когерентность в реальных устройствах, что предполагает, что микроскопические звуковые волны могут стать важным инструментом для создания более надёжных и компактных квантовых систем.

Исследование также может поддержать разработку гибридных квантовых систем, которые объединяют несколько различных типов кубитов в одной системе. Гарвардский офис развития технологий активно ищет возможности для патентования и коммерциализации инноваций, возникших из этого исследования.