Звук может не только переносить квантовую информацию внутри будущих процессоров, но и защищать хрупкие квантовые состояния от разрушения. Инженеры Гарвардского университета заставили механические колебания одновременно управлять спиновым кубитом и подавлять воздействие окружающего шума. Новый подход увеличил время когерентности более чем втрое и может помочь создавать компактные квантовые сети непосредственно на чипах.
Исследователи работали с кремний-вакансионным центром, или SiV-центром, в алмазе. Дефект кристаллической решетки содержит электронный спин, который можно использовать как квантовую память. Главная проблема подобных систем связана с крайне высокой чувствительностью спина к внешнему шуму: взаимодействие с окружающей средой постепенно разрушает квантовое состояние и ограничивает время хранения информации.
Обычно инженеры пытаются продлить когерентность при помощи последовательностей микроволновых импульсов, которые изолируют кубит от части внешних воздействий. Для устройств, где спин должен активно взаимодействовать со звуковыми колебаниями внутри фононной полости, подобный подход подходит плохо. Команда из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук предложила отказаться от микроволновой защиты и задействовать механические колебания.
В эксперименте непрерывное акустическое поле переводило спин в так называемое «одетое» квантовое состояние, менее чувствительное к низкочастотному шуму. Фактически кубит постоянно взаимодействовал с потоком фононов, благодаря чему внешние помехи значительно слабее влияли на хранящуюся квантовую информацию. Результаты работы опубликованы в Nature Physics.
Фононами физики называют кванты механических колебаний вещества. В упрощенном виде фононы можно представить как мельчайшие порции звуковых волн внутри твердого материала. Для квантовых устройств фононы представляют особый интерес: при одинаковой частоте длина акустической волны намного меньше длины электромагнитной, поэтому компоненты на основе механических колебаний можно размещать значительно плотнее.
Гарвардская группа использовала поверхностные акустические волны, создаваемые пьезоэлектрическими преобразователями. Одна система непрерывно формировала поле, которое защищало спин, другая позволяла управлять квантовым состоянием и исследовать поведение кубита. Инициализация и считывание информации при этом выполнялись оптическими методами.
Без акустической защиты характерное время когерентности спина составляло около 680 наносекунд. После перехода в «одетое» состояние показатель вырос примерно до 2,2 микросекунды, то есть более чем втрое. Дополнительные эксперименты со spin echo дали время когерентности около 3,1 микросекунды.
Механические колебания позволили не только сохранить квантовое состояние дольше, но и очень быстро управлять спином. Максимальная частота Раби достигла 800 МГц. Авторы работы называют результат рекордным для прямого резонансного управления спином кремний-вакансионного центра и рассматривают высокую скорость как основу для будущих быстрых квантовых операций.
Главная идея разработки связана с возможностью заставить фононы выполнять сразу две задачи. В перспективной квантовой сети механические колебания смогут передавать информацию между отдельными кубитами и одновременно защищать спиновую память от части окружающего шума. Совмещение функций особенно важно для миниатюрных систем, где инженерам приходится размещать большое количество элементов на одном чипе.
Фононы также способны связывать разные типы квантовых систем. Механические колебания хорошо взаимодействуют со спиновыми дефектами в твердых телах и могут связываться с электромагнитными полями, поэтому разработчики рассматривают акустические элементы как возможный интерфейс между различными разновидностями кубитов. Гарвардская команда рассчитывает применять подход в гибридных квантовых системах и сетях, построенных непосредственно внутри микросхем.
До появления практического квантового процессора на звуковых волнах пока далеко. Исследователи продемонстрировали защиту и быстрое управление отдельным спиновым кубитом, а не передачу квантового состояния между полноценными узлами сети. Эксперимент также требует криогенных температур, а мощный акустический привод нагревает устройство и сам начинает ограничивать время когерентности.
Работа продолжает многолетние исследования группы Марко Лончара в области взаимодействия спинов и механических колебаний. Ранее команда уже показывала прямое акустическое управление кремний-вакансионными центрами в алмазе. Новый эксперимент решает следующую проблему: звук теперь помогает не только воздействовать на кубит, но и сохранять квантовое состояние во время работы.
По данным Гарвардского университета, технология может стать основой компактных фононных квантовых сетей и гибридных квантовых систем. Университет уже занимается патентной защитой разработок, появившихся в рамках исследования, и рассматривает возможности дальнейшей коммерциализации.