Ses dalgaları kuantum bilgisini taşıyarak ve koruyarak çifte görev yapar

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndaki (SEAS) araştırmacılar, yalnızca mekanik titreşimler (aslında son derece küçük ses dalgaları) kullanarak hassas kuantum bilgilerini korumanın umut verici yeni bir yolunu gösterdiler. Tiantsai Lin Elektrik Mühendisliği Profesörü Marko Lončar’ın laboratuvarından gelen buluş, birçok farklı kuantum biti veya kubit türünü birleştiren hibrit kuantum sistemlerinin yanı sıra, çipler üzerinde kompakt, ses tabanlı kuantum ağlarına doğru bir yol açıyor.

Araştırma şu adreste yayınlandı: Doğa Fiziği. Deneyler yakın zamanda doktora yapmış olan Eliza Cornell tarafından yürütüldü. Lončar laboratuvarından mezun olan ve Boston Üniversitesi’ndeki mevcut doktora sonrası araştırmacı ve Lončar’ın grubundaki eski bir doktora sonrası araştırmacı olan Zhujing Xu.

Bilgi taşıyıcısı olarak ses dalgaları

Yeni ortaya çıkan bir kuantum ağ türü, kubit düğümleri arasındaki bilgi taşıyıcıları olarak kuantum hafızası ve ses dalgaları (veya daha kesin olarak fonon adı verilen ses parçacıkları) olarak elmastaki bir safsızlıkla ilişkili bir elektronun dönüşünü kullanır. Lončar laboratuvarı, kısmen titreşimleri elektron dönüşüyle ​​etkileşime sokmak için yakalayan fononik boşluk adı verilen bir kübit muhafazası geliştirerek bu tür bir sistemin potansiyelini göstermede lider oldu.

Fononlar, ışığı çip ölçeğinde bilgi taşıyıcıları olarak kullanan kuantum ağ oluşturma konusundaki daha geleneksel yaklaşımlara göre çeşitli avantajlar sunar. Birincisi, belirli bir frekanstaki fonon dalga boyları, ışık dalga boylarından çok daha kısadır, bu da cihazların çok daha küçük ayak izine ve daha sıkı entegrasyona olanak sağlar. İkincisi, fononlar hem katı hal dönüşlerine hem de elektromanyetik alanlara kolayca bağlanarak onları birden fazla kubit türü kullanan hibrit kuantum sistemlerinde çekici bileşenler haline getiriyor.

Ancak fononlarla çalışmanın, esas olarak hafızayla ilgili olmak üzere benzersiz zorlukları vardır.

Kuantum anıların tutarlılığını veya hafızayı yeterince uzun süre muhafaza edebilme yeteneğini genişletmek için çevreden korunması gerekir. Ancak anıları çevrelerinden ayırmak için mikrodalga darbelerine dayanan mevcut yaklaşımlar, fononik boşluklarda barındırılan kubitler üzerinde pek işe yaramıyor.

‘Giydirilmiş’ kübitler ve tamamen mekanik tutarlılık koruması

SEAS araştırmacıları bu darboğazı, elmastaki silikon boşluk dönüşünün tamamen mekanik tutarlılık korumasını göstererek çözdüler. Ekip, geleneksel mikrodalga darbeleri yerine, kubiti “giydirilmiş” kübit adı verilen farklı bir duruma dönüştürmek için fononlardan oluşan sürekli bir mekanik sürüş alanı uyguladı.

Sürekli bir akustik alanı “yıprattıkları” için “giyinmiş” olarak adlandırılan bu durumlar, ortamdaki düşük frekanslı gürültüye karşı daha az duyarlıdır. Spin tutarlılığı, fononik boşluklarla uyumlu sürekli bir mekanik alan tarafından korunduğu için, yaklaşım, sonunda bir kuantum ağındaki sabit düğümleri bağlamak için kullanılacak olan aynı yapılar içinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Fononlar bu tür ağlarda iki görevi yerine getirir: kuantum bilgisini iletmek ve onu korumak.

Cornell, “İki sorunu çözüyoruz” dedi. “Spin’in fononlarla güçlü bir etkileşime sahip olmasını istiyoruz ve spinin uzun bir tutarlılık süresine sahip olmasını istiyoruz. Makalemiz, boşluktaki silikon boşluk merkeziyle uyumlu tutarlılık süresini uzatmanın bir yöntemini gösteriyor.”

Ekip, yeni yaklaşımlarını kullanarak silikon-boşluk dönüş tutarlılık süresini kabaca üç kat uzatarak sürekli dalga mekanik gürültü bastırmanın gerçek cihazlarda kuantum tutarlılığını uzatabileceğini ortaya koydu.