1539
Фізики з Інженерної школи Джона А. Полсона Гарвардського університету продемонстрували, що безперервний потік звукових хвиль може захищати крихкий квантовий біт від шумного оточення, майже утричі подовжуючи час збереження інформації. Цей підхід відкриває шлях до створення квантових мереж на основі звуку та гібридних систем, які поєднують різні типи кубітів, повідомляє Sci.News.
Робота команди, очолюваної Елізою Корнелл (Eliza Cornell), зосереджена на одному з перспективних типів квантових мереж. У таких мережах спін електрона, пов’язаний з домішкою в діаманті, виконує роль квантової пам’яті, а кванти звуку — фонони — виступають носіями інформації між вузлами з кубітами.
Чому фонони привабливі для квантових мереж
За словами дослідників, фонони мають низку переваг порівняно з традиційними підходами, де на масштабі чипа інформацію переносять фотони світла.
По-перше, за однакової частоти довжина хвилі фононів значно коротша, ніж у світла. Це дозволяє створювати пристрої з набагато меншими розмірами та щільнішою інтеграцією елементів на чипі.
По-друге, фонони легко взаємодіють і з твердотільними спінами, і з електромагнітними полями. Завдяки цьому вони є привабливими «посередниками» у гібридних квантових системах, де поєднуються різні типи кубітів.
Однак робота з фононами має й свої складнощі, насамперед пов’язані з квантовою пам’яттю. Щоб кубіт міг зберігати інформацію достатньо довго, його когерентність — здатність залишатися в певному квантовому стані — потрібно захищати від впливу навколишнього середовища.
Існуючі методи захисту часто спираються на мікрохвильові імпульси, які «відв’язують» пам’ять від шумів. Але такі підходи погано працюють для кубітів, розміщених у фононних резонаторах (фононних порожнинах), де саме звук відіграє ключову роль.
Механічний захист спіну в діаманті
Команда Корнелл розв’язала цю проблему, продемонструвавши повністю механічний захист когерентності спіну кремнієвого вакансійного центру в діаманті. Це особливий дефект кристалічної решітки, де атом кремнію заміщує вуглець і створює локалізований спін, придатний для використання як кубіт.
Замість традиційних мікрохвильових імпульсів дослідники застосували безперервне механічне збудження — потік фононів, який перетворює початковий кубіт на інший стан, так званий «одягнений» (dressed) кубіт.
У таких «одягнених» станах кубіт стає менш чутливим до низькочастотного шуму з оточення. Саме цей шум зазвичай руйнує когерентність і скорочує час, протягом якого квантова пам’ять може надійно зберігати інформацію.
Оскільки когерентність спіну тут захищена безперервним механічним полем, сумісним із фононними порожнинами, метод одразу пристосований до тих самих структур, які в майбутньому можуть з’єднувати стаціонарні вузли квантової мережі.
У такій архітектурі фонони виконуватимуть одразу дві функції: передаватимуть квантову інформацію між вузлами та одночасно захищатимуть саму квантову пам’ять від шуму.
Подовження часу когерентності та перспективи
За словами Елізи Корнелл, команда прагнула одночасно досягти двох цілей: забезпечити сильну взаємодію спіну з фононами та зберегти тривалий час когерентності спіну. Представлений метод показує, що це можливо, і при цьому залишається сумісним із розміщенням кремнієвого вакансійного центру в резонаторі.
У результаті безперервне звукове збудження майже утричі збільшило час, протягом якого кубіт у діаманті зберігає квантову інформацію, не втрачаючи її через шум.
Деталі роботи описані в статті E. Cornell та співавторів «All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit», опублікованій 15 липня в журналі Nature Physics.
Ознайомитися з візуальним поясненням підходу можна також у відео за участю авторів дослідження, доступному на платформі YouTube.
Фізики захистили квантову пам’ять у діаманті за допомогою звуку з’явилася спочатку на Цікавості.
