Hyvät vibat kvanttiviestinnälle

Harvardin John A. Paulsonin teknillisen ja sovelletun tieteen koulun (SEAS) tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet yhden värähtelyenergiakvantin vuorovaikuttavan yhden atomin spinin kanssa, mikä avaa polun kvanttiteknologioille, jotka käyttävät ääntä informaationkantajana valon tai sähkön sijaan.

Professorin Marko Lončarin johdolla tutkijat suunnittelivat nanometrisen mekaanisen resonaattorin timantin yhden värikeskuksen omaavan spin-kubitin ympärille.

Nämä värikeskukset, timantin kiderakenteen atomivirheet, toimivat kvanttimuistina, joka kykenee tallentamaan kvantti-informaatiota. Tutkijoiden uusi järjestelmä pystyy isännöimään riittävän voimakkaita spin-fononi-vuorovaikutuksia kvantti-informaation tallentamiseen – alan tähänastisen keskeisen haasteen.

”Kokeen ytimessä on fononi – pienin mahdollinen äänen yksikkö”, Lončar sanoi. ”Kun kuuntelemme musiikkia, lukemattomien fononien yhteistyöhön tarvitaan tärykalvojemme liikuttamista ja ehkä jopa tanssilattialla pyörimistä. Mutta kubitit ovat paljon herkempiä: yksikin fononi voi riittää muuttamaan niiden kvanttitilaa – virittämään ne tai, kuten kokeessamme, auttamaan niitä rentoutumaan.”

Mekaaniset värähtelyt, kuten kitaran kielten värähtelyt, voivat "soida" pitkään, vaikka niiden tilavuus on paljon pienempi kuin vastaavan taajuuden omaavan sähkömagneettisen ontelon. Tämä pitkän käyttöiän ja kompaktin koon yhdistelmä tekee fononeista erityisen lupaavia kvantti-informaation kantajina tai liitäntöinä, jotka yhdistävät kompakteja kvanttimuisteja, prosessoreita ja antureita tulevaisuuden kvanttisiruilla.

”Monien kvanttijärjestelmien, kuten suprajohtavien kubittien, kvanttipisteiden tai kiinteän olomuodon defektien, tiedetään olevan voimakkaassa vuorovaikutuksessa fononien kanssa”, selitti Graham Joe, ensimmäinen kirjoittaja. ”Kvanttiakustiikalla on siis paljon lupauksia eräänlaisena ’universaalina kvanttiväylänä’, joka voisi yhdistää erilaisia kvanttijärjestelmiä hybrideiksi järjestelmiksi.”

Kun yksi fononi voi muuttaa atomaarisen kubitin tilaa, spin toimii myös erittäin herkkänä luotaimena sen mekaanisesta ympäristöstä. Spinin avulla voitaisiin mitata hyvin pieniä voimia, jännityksiä tai lämpötilan muutoksia "kuuntelemalla" rakenteen kvanttikohinaa. Tämä voisi johtaa tarkkuusantureihin ja muihin sovelluksiin.

Tulokset viittaavat uuteen kiinteiden aineiden kvanttivirheiden hallintaan, mikä tuo spinmekaaniset vuorovaikutukset lähemmäksi täyden kvanttikoherenssin kynnystä eli muuten hauraan kvanttijärjestelmän kykyä pysyä vakaana.

”Tämä koe oli sekä vakuuttava osoitus uusista työkaluista yksittäisen atomin ympäristön aistimiseen että merkittävä askel kohti käytännön kvanttiakustisia laitteita”, Joe sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Saada fononit vuorovaikuttamaan

Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri