امواج صوتی کوچک می تواند به حل یک مشکل بزرگ محاسبات کوانتومی کمک کند

این پیشرفت که در آزمایشگاه مارکو لونکار، استاد مهندسی برق Tiancai Lin ایجاد شد، می‌تواند از توسعه شبکه‌های کوانتومی فشرده که مستقیماً بر روی تراشه‌ها ساخته شده‌اند، پشتیبانی کند. همچنین ممکن است به فعال کردن سیستم‌های کوانتومی ترکیبی کمک کند که چندین نوع مختلف بیت کوانتومی یا کیوبیت را ترکیب می‌کنند.

یافته ها در منتشر شده است فیزیک طبیعی. این آزمایش ها توسط الیزا کورنل، دکترای اخیر انجام شد. فارغ التحصیل آزمایشگاه لونچار، که اکنون یک محقق فوق دکتری در دانشگاه بوستون است، و ژوژینگ ژو، عضو سابق فوق دکتری در گروه لونچار.

استفاده از صدا برای انتقال اطلاعات کوانتومی

یکی از رویکردهای امیدوارکننده برای شبکه‌سازی کوانتومی، از اسپین یک الکترون مرتبط با ناخالصی در الماس برای ذخیره اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کند. بسته های کوچک ارتعاش مکانیکی به نام فونون می توانند به عنوان حاملی عمل کنند که اطلاعات را بین گره های کیوبیت جابجا می کند.

آزمایشگاه Lonchar نقش مهمی در کشف پتانسیل این سیستم ها ایفا کرده است. از جمله دستاوردهای او ساختاری به نام حفره فونون است که ارتعاشات مکانیکی را به دام می اندازد تا بتوانند با اسپین الکترون داخل کیوبیت تعامل قوی تری داشته باشند.

فونون ها ممکن است مزایای مهمی نسبت به نور داشته باشند، که بیشتر برای انتقال اطلاعات کوانتومی در شبکه های مقیاس تراشه استفاده می شود. در همان فرکانس، فونون ها طول موج های بسیار کوتاه تری نسبت به نور دارند، که امکان ساخت اجزای بسیار کوچکتر و بسته بندی آنها را محکم تر می کند.

فونون‌ها همچنین به راحتی با اسپین‌های حالت جامد و میدان‌های الکترومغناطیسی تعامل دارند. این انعطاف پذیری آنها را به ویژه برای فناوری های کوانتومی هیبریدی که انواع مختلف کیوبیت ها را در یک سیستم واحد ترکیب می کنند، جذاب می کند.

چالش حفظ حافظه کوانتومی

با این حال، استفاده از فونون ها یک مشکل بزرگ ایجاد می کند: محافظت از حافظه کوانتومی.

کیوبیت ها به شدت به اختلالات محیط اطراف خود حساس هستند. برای مفید ماندن، آنها باید حالت کوانتومی خود را به اندازه کافی برای ذخیره و پردازش اطلاعات حفظ کنند. این توانایی به عنوان انسجام شناخته می شود.

محققان اغلب با استفاده از پالس‌های مایکروویو که حافظه را از نویز محیط جدا می‌کنند، از حافظه‌های کوانتومی در برابر تداخل محیطی محافظت می‌کنند. این تکنیک ها به خصوص برای کیوبیت هایی که در حفره های فونون قرار می گیرند، کار نمی کنند.

این محدودیت دستیابی به تعامل فونون قوی و حافظه کوانتومی طولانی مدت در یک دستگاه را دشوار کرده است.

کیوبیت های ضد صدا “لباس پوشیده”.

تیم SEAS با نشان دادن چیزی که آنها به عنوان “حفاظ کاملاً مکانیکی منسجم” از جای خالی چرخش در سیلیکون در الماس توصیف می کنند، با این مشکل مقابله کردند.

به جای تکیه بر پالس‌های مایکروویو معمولی، محققان به طور مداوم از یک میدان حرکتی مکانیکی ساخته شده از فونون استفاده کردند. این کیوبیت را به حالت کوانتومی متفاوتی تبدیل کرد که به نام کیوبیت لباس پوشیده شناخته می شود.

اصطلاح “لباس پوشیده” به کیوبیتی اشاره دارد که به طور موثر یک میدان صوتی پیوسته “پوشیده” است. در این حالت کیوبیت کمتر در برابر نویزهای فرکانس پایین محیط اطراف آسیب پذیر می شود.

از آنجا که محافظ از یک میدان مکانیکی پیوسته که با حفره‌های فونون سازگار است، می‌آید، این تکنیک می‌تواند در همان ساختارهایی کار کند که در نهایت می‌توانند گره‌های ثابت را در شبکه‌های کوانتومی به هم متصل کنند.

این به فونون ها نقش دوگانه بالقوه قدرتمندی می دهد. آنها می‌توانند اطلاعات کوانتومی را بین بخش‌های مختلف شبکه انتقال دهند و در عین حال به محافظت از آن اطلاعات در برابر نویزهای محیطی کمک کنند.

کورنل گفت: «ما دو مشکل را حل می کنیم. ما می‌خواهیم اسپین برهمکنش قوی با فونون‌ها داشته باشد، و می‌خواهیم اسپین زمان انسجام طولانی داشته باشد. مقاله ما روشی را برای افزایش زمان انسجام نشان می‌دهد که با مرکز خالی سیلیکون که در یک حفره قرار دارد سازگار است.

انسجام کوانتومی حدود سه برابر بیشتر دوام می آورد

با روش جدید، محققان زمان انسجام چرخشی جاهای خالی سیلیکون را تقریباً سه برابر افزایش دادند.

نتیجه نشان می‌دهد که سرکوب نویز مکانیکی موج پیوسته می‌تواند انسجام کوانتومی را در دستگاه‌های واقعی گسترش دهد، که نشان می‌دهد امواج صوتی میکروسکوپی می‌توانند ابزار مهمی برای ساختن سیستم‌های کوانتومی قابل اعتمادتر و فشرده‌تر شوند.

“محافظت منسجم تمام مکانیکی و کنترل سریع یک کیوبیت در حال چرخش” توسط ژائو وانگ، هانا کی وارنر، الیانا مان، مایکل هاس، اسماراک مایتی، گراهام جو، لیانگ جیانگ، پیتر رابل، و بنجامین پینگالت با همکاری یکدیگر نوشته شده است.

این تحقیق حمایت فدرال ایالات متحده را از: بنیاد ملی علوم تحت شماره کمک مالی EEC-1941583 دریافت کرد. دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی تحت شماره های جایزه FA9550-23-1-0333 و FA9550-23-1-0338. و Q-NEXT، مرکز تحقیقات ملی وزارت انرژی ایالات متحده برای علوم اطلاعات کوانتومی با شماره DE-FOA-0002253.

این کار تا حدی در مرکز هاروارد برای سیستم‌های مقیاس نانو، یکی از اعضای شبکه زیرساخت ملی نانوتکنولوژی، که توسط جایزه بنیاد ملی علوم به شماره ECS-0335765 پشتیبانی شد، انجام شد.

دفتر توسعه فناوری هاروارد به طور فعال فرصت هایی را برای ثبت اختراع و تجاری سازی نوآوری های ناشی از این تحقیق دنبال می کند.