Ένα qubit δεν χρειάζεται μόνο να υπολογίζει· πρέπει και να διατηρεί την εύθραυστη κβαντική του κατάσταση για αρκετά μεγάλο διάστημα ώστε η πληροφορία του να παραμένει χρήσιμη. Ερευνητές του Harvard έδειξαν ότι μικροσκοπικές μηχανικές δονήσεις μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα ως φορέας και ως ασπίδα για αυτή την πληροφορία.
Η πρόκληση της κβαντικής μνήμης
Τα qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στον θόρυβο του περιβάλλοντος. Η ιδιότητα που περιγράφει για πόσο διατηρούν την κβαντική τους κατάσταση ονομάζεται χρόνος συνοχής. Όσο μεγαλύτερος είναι, τόσο περισσότερο περιθώριο έχει ένα σύστημα για να αποθηκεύσει και να επεξεργαστεί πληροφορία πριν αυτή αλλοιωθεί.
Η ομάδα του Marko Lončar στη Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences εργάστηκε με το spin ενός ηλεκτρονίου σε κέντρο ατέλειας silicon-vacancy μέσα σε διαμάντι. Τέτοια spins μπορούν να λειτουργήσουν ως κβαντικές μνήμες, ενώ οι κοιλότητες phonons επιτρέπουν στις μηχανικές δονήσεις να αλληλεπιδρούν μαζί τους.
Η λύση με τα phonons
Τα phonons είναι διακριτές διεγέρσεις μηχανικής δόνησης — ένας τρόπος να περιγράψουμε, σε κβαντική κλίμακα, τον ήχο μέσα σε ένα στερεό. Σε σχέση με το φως, μπορούν να έχουν μικρότερο μήκος κύματος στην ίδια συχνότητα, άρα να χωρούν σε πιο συμπαγείς δομές. Παράλληλα, αλληλεπιδρούν τόσο με spins στερεάς κατάστασης όσο και με ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Το πρόβλημα είναι ότι η ισχυρή σύζευξη με μια phononic cavity μπορεί να δυσκολεύει την προστασία της μνήμης. Οι ερευνητές το αντιμετώπισαν εφαρμόζοντας συνεχώς ένα μηχανικό πεδίο από phonons, αντί να βασιστούν στους συμβατικούς παλμούς μικροκυμάτων. Το qubit μετατρέπεται έτσι σε αυτό που οι ίδιοι περιγράφουν ως «dressed» qubit: μια κατάσταση που περιβάλλεται αποτελεσματικά από το ακουστικό πεδίο και είναι λιγότερο ευάλωτη στον χαμηλόσυχνο θόρυβο.
Περίπου τριπλάσιος χρόνος συνοχής
Στο πείραμα, η συνεχής μηχανική διέγερση αύξησε περίπου κατά τρεις φορές τον χρόνο συνοχής του silicon-vacancy spin. Το αποτέλεσμα δεν αποτελεί ακόμη έναν λειτουργικό κβαντικό υπολογιστή ή δίκτυο, δείχνει όμως ότι η προστασία μπορεί να γίνει μέσα στην ίδια δομή που φιλοξενεί και τη μεταφορά της πληροφορίας.
Αυτό είναι το ενδιαφέρον της προσέγγισης: τα phonons θα μπορούσαν να έχουν διπλό ρόλο, μεταφέροντας κβαντική πληροφορία ανάμεσα σε κόμβους και μειώνοντας ταυτόχρονα την επίδραση του περιβαλλοντικού θορύβου. Η συμβατότητα αυτή μπορεί να βοηθήσει στον σχεδιασμό υβριδικών συστημάτων, όπου συνυπάρχουν διαφορετικοί τύποι qubits πάνω στο ίδιο chip.
Απόδειξη αρχής, όχι έτοιμο δίκτυο
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Physics και αποτελεί πειραματική επίδειξη προστασίας της συνοχής με καθαρά μηχανικό τρόπο. Το επόμενο βήμα είναι να φανεί αν η τεχνική διατηρεί τα πλεονεκτήματά της σε μεγαλύτερα και πιο σύνθετα κυκλώματα, με πολλούς κόμβους και αυστηρότερες απαιτήσεις ελέγχου.
Η ιδέα, πάντως, μετακινεί το όριο λίγο πιο πέρα: σε ένα μελλοντικό chip, ο ίδιος μικροσκοπικός «ήχος» μπορεί να βοηθά την κβαντική πληροφορία να ταξιδεύει και να επιβιώνει.
Πηγή: ScienceDaily — Tiny sound waves could help solve a major quantum computing problem