Создан чиповый сплиттер фононов для гибридных квантовых сетей

Исследователи разработали чиповый направленный ответвитель одиночных фононов, который осуществляет контролируемое разделение и демонстрирует квантовые характеристики. Устройство может стать основой для микроскопических маршрутизаторов и сплиттеров, связывающих различные типы квантовых технологий. Автор: Амирпарса Зивари, Делфтский технический университет

Ученые создали чиповое устройство, способное разделять фононы — крошечные пакеты механических колебаний, которые могут переносить информацию в квантовых системах. Это достижение заполняет важный пробел и может помочь связать различные квантовые устройства через фононы, открывая путь к передовым вычислениям и защищенной квантовой связи.

«Фононы могут служить внутричиповыми квантовыми сообщениями, соединяющими совершенно разные квантовые системы, что позволяет создавать гибридные сети и новые способы обработки квантовой информации в компактном, масштабируемом формате», — заявил руководитель исследовательской группы Саймон Грёблахер из Делфтского технического университета в Нидерландах.

«Для создания практических фононных схем требуется полный набор чиповых компонентов, которые могут генерировать, направлять, разделять и детектировать отдельные кванты колебаний. Хотя источники и волноводы уже существуют, компактного сплиттера до сих пор не хватало».

В журнале Optica Quantum исследователи описали свой компактный интегрированный четырехпортовый направленный ответвитель для одиночных фононов и показали, что он может осуществлять контролируемое разделение с квантовыми характеристиками.

«Наше устройство может обеспечить создание микроскопических внутричиповых маршрутизаторов и сплиттеров, которые связывают сверхпроводящие кубиты, часто используемые для быстрых квантовых вычислений, со спиновыми системами, которые хорошо подходят для длительного хранения квантовой информации. Оно также может позволить проводить различные квантовые эксперименты или создавать чрезвычайно компактные сверхчувствительные механические датчики», — сказал Грёблахер.

Соединение квантовых систем

Хотя квантовые технологии обещают более быстрые вычисления, защищенную связь и новые типы сенсоров, разные квантовые системы часто плохо взаимодействуют друг с другом.

Для решения этой проблемы инженеры разработали платформы на основе поверхностных акустических волн. Однако ограниченное расстояние распространения из-за высоких потерь и изначально открытая 2D-структура существующих решений делают такие устройства относительно большими, что создает барьер для их практического использования.

В новой работе исследователи создали чиповый направленный ответвитель, использующий высокочастотные (ГГц) фононы, распространяющиеся в фононно-кристаллических волноводах. Эти фононы позволяют создавать более мелкие и масштабируемые внутричиповые устройства благодаря своей способности уменьшать перекрестные помехи между каналами связи. Они также поддерживают более длительные времена жизни фононов, позволяя осуществлять сложную интерференцию и маршрутизацию до того, как квантовые свойства ухудшатся.

«Созданный нами ответвитель действует как узел в квантовом "почтовом маршруте", — объяснил Грёблахер. — Он может разделять, направлять или рекомбинировать одиночные квантовые колебания так, что возбуждение, созданное в одном процессоре, может быть надежно отправлено в другой процессор на том же чипе или нескольким получателям — что позволяет создавать более гибкие и компактные квантовые устройства и сети».

Для создания интегрированного направленного ответвителя исследователи нанесли наноструктуры на кремниевый чип, чтобы направлять колебания вдоль крошечных каналов и сводить их вместе в области, где они могут контролируемо смешиваться. Достижение этого потребовало очень точного изготовления, чтобы колебания могли распространяться на большие расстояния без затухания.

Демонстрация разделения фононов

В качестве первоначального теста устройства исследователи измерили, как энергия в когерентном фононном волновом пакете распределялась между двумя выходными полостями с течением времени и за несколько проходов.

Изменяя длину связи, они смогли достичь контролируемых коэффициентов разделения. После этого классического теста они использовали схему предвещания фононов, чтобы подтвердить наличие фонона и продемонстрировать, что ответвитель ведет себя как делитель пучка для одиночных фононов — квантованных состояний механического движения.

Сейчас исследователи работают над добавлением более продвинутых фононных компонентов к ответвителю, улучшением изготовления для снижения потерь и интеграцией устройства в более сложные многокомпонентные устройства, такие как интерферометры. Для выхода за пределы лаборатории эти устройства необходимо будет интегрировать с существующими платформами квантовых вычислений.

«Способность маршрутизировать и манипулировать одиночными фононами на чипе является ключевой для передачи квантовой информации между различными типами квантовых систем и раскрытия потенциала гибридных квантовых систем», — сказал Грёблахер. — Мы ожидаем, что новое устройство станет столь же важным, каким является его оптический аналог в современной науке».

Больше информации: Simon Gröblacher et al, A single-phonon directional coupler, Optica Quantum (2025). DOI: 10.1364/opticaq.569727