Иллюстрация центра кремниевой вакансии в кристаллической решётке алмаза. Источник: SciTechDaily
Квантовые технологии постоянно сталкиваются с одной и той же трудностью: кубиты крайне чувствительны к помехам из окружающей среды. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) смогли защитить кубит с помощью механических колебаний — по сути, звуковых волн квантового масштаба. Работа выполнена в лаборатории Марко Лончара, профессора электротехники имени Тианцай Линя, и может помочь уменьшить размеры квантовых сетей, снизить взаимные помехи между компонентами и объединить в одной гибридной системе кубиты разных типов.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, а экспериментальную часть возглавили Элиза Корнелл и Чжуцзин Сюй. Корнелл недавно защитила докторскую диссертацию в лаборатории Лончара и сейчас работает постдоком в Бостонском университете, а Сюй ранее была постдокторантом этой группы. В системе используется электронный спин, связанный с атомной примесью в алмазе, в качестве стационарной квантовой памяти. Частицы колебаний — фононы — переносят квантовую информацию между такими узлами памяти примерно так же, как фотоны передают её в оптических сетях.
Ранее лаборатория Лончара уже помогала раскрыть потенциал этого подхода, создавая фононные резонаторы. Эти структуры удерживают колебания на небольшом участке, усиливая их взаимодействие с электронным спином. Длина волны фононов намного меньше, чем у света той же частоты, поэтому квантовые компоненты занимают гораздо меньше места на чипе. Кроме того, фононы меньше подвержены перекрёстным помехам, долго остаются в резонаторах при низких температурах и взаимодействуют как с твёрдотельными спинами, так и с электромагнитными полями. Это делает их перспективным связующим звеном между несовместимыми квантовыми технологиями.
Однако сильное взаимодействие с фононами имеет свою цену. Полезная квантовая память должна сохранять когерентность, то есть удерживать своё квантовое состояние достаточно долго для хранения, обработки или передачи информации, а шум окружения быстро разрушает это состояние. Обычно с таким шумом борются с помощью точно рассчитанных микроволновых импульсов, но эти последовательности плохо подходят для спиновых кубитов внутри резонансных фононных резонаторов, что создаёт конфликт между сильной фононной связью и долговечной квантовой памятью. Гарвардская команда решила эту проблему методом, который сама называет «полностью механической защитой когерентности»: вместо стандартных микроволновых импульсов исследователи непрерывно воздействовали на спиновый центр кремниевой вакансии в алмазе фононами, переводя его в защищённое состояние — так называемый «одетый» кубит.
Одетый кубит как бы «носит» на себе непрерывное акустическое поле вокруг себя. Это меняет его реакцию на окружающую среду и делает менее уязвимым к низкочастотному шуму, который иначе разрушал бы хранимую информацию. Поскольку защитное поле является механическим, оно может работать внутри тех же фононных резонаторов, которые предназначены для связи стационарных квантовых узлов. Таким образом, фононы способны выполнять в одном устройстве две задачи: переносить квантовую информацию между кубитами и защищать её во время хранения. «Мы решаем две проблемы, — говорит 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 резонаторе».
Применённая методика увеличила время когерентности спина кремниевой вакансии примерно втрое, показав, что непрерывное подавление механического шума способно защищать квантовую информацию в реальном устройстве. Исследователи также достигли частоты Раби в 800 мегагерц, что обеспечивает исключительно быстрое управление спином. Вместе более долгая когерентность и высокая скорость работы могут поддержать высокоточные квантовые логические операции с участием фононов и приблизить компактные квантовые сети на чипе к практическому применению.