Гарвардские учёные предложили защищать квантовую информацию с помощью звуковых волн

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) продемонстрировали новый способ защиты хрупкой квантовой информации с помощью механических колебаний — по сути, микроскопических звуковых волн.

Разработка, созданная в лаборатории Марко Лончара, профессора электротехники, может лечь в основу компактных квантовых сетей, встроенных прямо в чипы. Она также способна помочь в создании гибридных квантовых систем, объединяющих несколько различных типов кубитов.

Результаты опубликованы в журнале Nature Physics. Эксперименты возглавили Элиза Корнелл, недавняя выпускница докторантуры лаборатории Лончара, ныне постдокторант Бостонского университета, и Чжуцзин Сюй, бывшая постдокторантка группы Лончара.

Один из перспективных подходов к квантовым сетям использует спин электрона, связанного с примесью в алмазе, для хранения квантовой информации. Крошечные пакеты механических колебаний — фононы — могут служить носителями, передающими информацию между узлами кубитов.

Лаборатория Лончара сыграла важную роль в изучении потенциала таких систем. Среди её достижений — структура, известная как фононная полость, которая удерживает механические колебания, чтобы те сильнее взаимодействовали с электронным спином внутри кубита.

Фононы могут иметь важные преимущества перед светом, который чаще используется для передачи квантовой информации в сетях чипового масштаба. На одной и той же частоте фононы обладают гораздо меньшей длиной волны, чем свет, что позволяет создавать значительно меньшие компоненты и плотнее их упаковывать.

Кроме того, фононы легко взаимодействуют как с твёрдотельными спинами, так и с электромагнитными полями. Эта универсальность делает их особенно привлекательными для гибридных квантовых технологий, объединяющих разные типы кубитов в одной системе.

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

Исследователи часто защищают квантовую память от внешних помех с помощью микроволновых импульсов, которые отделяют память от окружающего шума. Однако такие методы плохо работают для кубитов внутри фононных полостей. Это ограничение затрудняло одновременное достижение сильного взаимодействия с фононами и долговременной квантовой памяти в одном устройстве.

Команда SEAS решила проблему, продемонстрировав так называемую «полностью механическую защиту когерентности» для спина кремниевой вакансии в алмазе. Вместо обычных микроволновых импульсов исследователи непрерывно прикладывали механическое поле, создаваемое фононами. Это превращало кубит в особое квантовое состояние, известное как «одетый» кубит.

Термин «одетый» означает, что кубит фактически «носит» на себе непрерывное акустическое поле. В таком состоянии кубит становится менее уязвимым к низкочастотному шуму из окружающей среды.

Поскольку защита обеспечивается непрерывным механическим полем, совместимым с фононными полостями, метод может работать внутри тех же структур, которые в перспективе соединят стационарные узлы квантовых сетей. Это даёт фононам потенциально мощную двойную роль: они могли бы передавать квантовую информацию между разными частями сети и одновременно помогать защищать её от внешнего шума.

«Мы решаем две задачи, — сказала Корнелл. — Мы хотим, чтобы спин сильно взаимодействовал с фононами, и хотим, чтобы у спина было долгое время когерентности. Наша работа демонстрирует метод продления времени когерентности, совместимый с нахождением центра кремниевой вакансии в полости».

С новым методом исследователи увеличили время когерентности спина кремниевой вакансии примерно в три раза. Результат показывает, что непрерывное механическое подавление шума способно продлевать квантовую когерентность в реальных устройствах, а значит, микроскопические звуковые волны могут стать важным инструментом для создания более надёжных и компактных квантовых систем.

Работа «All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit» была выполнена при участии Чжаою Ван, Ханы К. Уорнер, Элианы Манн, Майкла Хааса, Смарака Майти, Грэма Джо, Лян Цзяна, Петера Рабла и Бенджамина Пинго.

Исследование получило поддержку Национального научного фонда США, Управления научных исследований ВВС США и центра Q-NEXT Министерства энергетики США. Часть работы выполнена в Гарвардском центре наноразмерных систем.

Источники:

Материалы предоставлены Гарвардской школой инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона. Оригинал написан Энн Дж. Мэннинг.