Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона Гарвардского университета разработали новый метод защиты квантовой информации с использованием механических вибраций, представляющих собой микроскопические звуковые волны.

Новый подход к защите квантовой информации

В лаборатории был продемонстрирован способ, который может способствовать созданию компактных квантовых сетей на чипах, а также развитию гибридных квантовых систем, объединяющих различные типы кубитов. Один из перспективных методов построения квантовых сетей основан на использовании спина электрона, связанного с примесью в алмазе, для хранения квантовой информации. Механические вибрации, называемые фононами, способны переносить информацию между узлами кубитов.

Преимущества фононов

Лаборатория разработала структуру, известную как фононная резонаторная полость, которая удерживает механические вибрации и усиливает их взаимодействие со спином электрона внутри кубита. Фононы обладают рядом преимуществ по сравнению со светом, который обычно применяется для передачи квантовой информации на уровне чипа. При одинаковой частоте фононы имеют значительно меньшую длину волны, что позволяет создавать более компактные компоненты и размещать их плотнее. Кроме того, фононы легко взаимодействуют как с твердофазными спинами, так и с электромагнитными полями, что делает их привлекательными для гибридных квантовых технологий, объединяющих разные типы кубитов в одной системе.

Проблема защиты квантовой памяти

Использование фононов создает задачу по защите квантовой памяти, поскольку кубиты очень чувствительны к внешним помехам. Для эффективного хранения и обработки информации кубиты должны сохранять свое квантовое состояние достаточно долго — эта способность называется когерентностью. Обычно для защиты квантовой памяти применяются микроволновые импульсы, которые изолируют память от внешнего шума, однако этот метод малоэффективен для кубитов, помещённых в фононные резонаторные полости. Это ограничение затрудняло одновременное достижение сильного взаимодействия с фононами и длительной когерентности в одном устройстве.

Механическая защита когерентности

Команда исследователей предложила решение, реализовав так называемую «полностью механическую защиту когерентности» для спина с кремниевой вакансией в алмазе. Вместо традиционных микроволновых импульсов был использован непрерывный механический управляющий сигнал, созданный с помощью фононов. Это преобразовало кубит в особое квантовое состояние, известное как «одетый» кубит, при котором он становится менее восприимчивым к низкочастотному шуму из окружающей среды.

Поскольку защита обеспечивается непрерывным механическим полем, совместимым с фононными резонаторными полостями, данный метод может применяться внутри тех же структур, которые в будущем будут соединять стационарные узлы в квантовых сетях.

Результаты и перспективы

Использование нового метода позволило увеличить время когерентности спина с кремниевой вакансией примерно в три раза. Эти результаты показывают, что подавление шума с помощью непрерывных механических волн может продлить квантовую когерентность в реальных устройствах. Таким образом, микроскопические звуковые волны могут стать важным инструментом для создания более надежных и компактных квантовых систем.