Исследователи Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона разработали способ защиты квантовой памяти с помощью механических вибраций. Речь идет о звуковых волнах на квантовом уровне, которые одновременно могут переносить информацию между кубитами и снижать влияние внешних помех. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics, о чем сообщило SciTechDaily.
В эксперименте использовали спин электрона, связанный с атомной примесью в алмазе. Такой спин выполняет роль стационарной квантовой памяти, а фононы — кванты механических колебаний — переносят данные между узлами подобно тому, как фотоны передают информацию в оптических сетях. Исследованием руководил Марко Лончар, профессор электротехники имени Тиантсая Лина.
Экспериментальную часть выполнили Элиза Корнелл и Чжуйцзин Сюй. Корнелл недавно защитила докторскую диссертацию в лаборатории Лончара и стала постдокторантом Бостонского университета, а Сюй ранее работала в этой группе постдокторантом. Команда использовала фононные резонаторы, которые удерживают вибрации в небольшом объеме и усиливают их взаимодействие со спином электрона.
Фононы имеют значительно меньшую длину волны, чем световые волны той же частоты, поэтому позволяют размещать квантовые компоненты на меньшей площади чипа. Кроме того, при низких температурах они могут долго оставаться внутри резонаторов, слабее взаимодействовать с соседними элементами и связывать твердотельные спины с электромагнитными полями. Это делает их перспективным связующим звеном для разных типов квантовых устройств.
Однако сильное взаимодействие с фононами создает проблему: квантовая память должна сохранять когерентность, то есть исходное состояние, достаточно долго для хранения, обработки и передачи данных. Обычно шум подавляют с помощью точно рассчитанных микроволновых импульсов, но такой подход плохо подходит для спиновых кубитов внутри фононных резонаторов. Гарвардские ученые непрерывно воздействовали на спин кремниевой вакансии в алмазе фононами и перевели его в защищенное состояние, получив так называемый «одетый» кубит.
Непрерывное акустическое поле изменяет реакцию кубита на окружающую среду и снижает его чувствительность к низкочастотному шуму. По словам Корнелл, предложенный метод позволяет одновременно обеспечить сильное взаимодействие спина с фононами и увеличить время когерентности: «We are solving two problems,» Cornell said. «We want the spin to have strong interaction with phonons, and we want the spin to have a long coherence time. Our paper demonstrates a method of extending the coherence time that is compatible with the silicon-vacancy center being in a cavity.» В эксперименте время когерентности увеличили примерно втрое, а частота Раби достигла 800 мегагерц, что обеспечивает быстрое управление спином и может помочь создавать компактные квантовые сети на одном чипе.