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, встраиваемых прямо в чипы. Кроме того, она способна помочь в создании гибридных квантовых систем, объединяющих несколько разных типов квантовых битов, или кубитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics, а эксперименты возглавили Элиза Корнелл, недавняя выпускница докторантуры лаборатории Лончара, ныне постдок Бостонского университета, и Чжуцзин Сюй, бывший постдок в группе Лончара.
Один из перспективных подходов к квантовым сетям использует спин электрона, связанного с примесью в алмазе, для хранения квантовой информации. Крошечные порции механических колебаний, называемые фононами, могут служить носителями, передающими информацию между узлами кубитов. Лаборатория Лончара внесла большой вклад в изучение потенциала таких систем, в том числе разработала структуру под названием фононная полость, которая удерживает механические колебания, чтобы они сильнее взаимодействовали с электронным спином внутри кубита. Фононы могут иметь важные преимущества перед светом, который чаще применяется для передачи квантовой информации в сетях чипового масштаба. При одинаковой частоте длина волны фононов значительно короче, чем у света, что позволяет создавать гораздо меньшие компоненты и плотнее их размещать. Фононы также легко взаимодействуют как с твёрдотельными спинами, так и с электромагнитными полями, что 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 — это свойство называется когерентностью. Исследователи часто защищают квантовую память от внешних помех с помощью микроволновых импульсов, которые отделяют, или развязывают, память от окружающего шума. Но такие методы плохо работают для кубитов, помещённых внутрь фононных полостей. Это ограничение затрудняло достижение одновременно сильного взаимодействия с фононами и долговременной квантовой памяти в одном устройстве.
Команда SEAS решила проблему, продемонстрировав то, что они называют «полностью механической защитой когерентности» для спина кремниевой вакансии в алмазе. Вместо обычных микроволновых импульсов исследователи непрерывно подавали механическое поле на основе фононов. Это переводило кубит в особое квантовое состояние, известное как «одетый» кубит. Термин «одетый» означает, что кубит как бы «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 могут переносить квантовую информацию между разными частями сети и одновременно помогать защищать её от внешних помех. «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 кремниевой вакансии в полости».
С помощью нового метода 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. Статья «All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit» написана в соавторстве с Чжаою Ван, Ханой К. Уорнер, Элианой Манн, Майклом Хаасом, Смараком Майти, Грэмом Джо, Лян Цзяном, Петером Раблом и Бенджамином Пинго. Исследование получило поддержку федеральных властей США: Национального научного фонда в рамках гранта EEC-1941583; Управления научных исследований ВВС по грантам FA9550-23-1-0333 и FA9550-23-1-0338; а также Q-NEXT — национального центра квантовых информационных наук Управления науки Министерства энергетики США по гранту DE-FOA-0002253. Часть работы выполнена в Гарвардском центре наноразмерных систем, входящем в Национальную нанотехнологическую инфраструктурную сеть, которая поддерживается грантом Национального научного фонда ECS-0335765. Гарвардское управление технологического развития активно занимается патентной защитой и коммерциализацией инноваций, возникших в результате этого исследования.