Akustiset aallot suojaavat kvanttibittejä

Harvardin yliopiston vetämä tutkimusryhmä on äskettäin osoittanut uuden tavan suojata herkkiä kubitteja käyttämällä vain tarkasti suunniteltuja mekaanisia värähtelyjä.

Nature Physics -lehdessä julkaistu tutkimus sai inspiraationsa Technische Universität Münchenin (TUM) professori Peter Rablin teoreettisesta ehdotuksesta.

Tutkijat osoittavat, että timantin piivakanssin (SiV) spinit, jotka ovat lupaava alusta tulevaisuuden kvanttiverkoille, voidaan vakauttaa ohjaamalla niitä jatkuvasti fokusoidulla akustisella aallolla. Tämä "täysmekaaninen" lähestymistapa ei ainoastaan suojaa kubittia ympäristön kohinalta, vaan mahdollistaa myös ennätysnopean spinin hallinnan, mikä on tärkeä ominaisuus tulevaisuuden kvanttilaitteille.

Vuonna 2024 julkaistussa teoriatutkimuksessa Rabl ja hänen kumppaninsa ehdottivat ratkaisua spinin jatkuvaan pyörittämiseen käyttämällä voimakasta ulkoista mikroaaltoista tai optista kenttää siten, että kohina tasaantuu ja kytkentä fononeihin pysyy ehjänä.

Harvardin tiimi ymmärsi, että mikroaaltokentillä pyörittäminen kuumentaisi herkkää kryogeenistä laitteistoa liikaa. Niinpä he käyttivät itse mekaanisia värähtelyjä: timanttisirulle tuotettuja voimakkaita, tiukasti fokusoituja pinta-akustisia aaltoja.

Tämä lähestymistapa toimi jopa odotettua paremmin. ”Tämän kokeen nerokas temppu oli käyttää itse värähtelytiloja spinin ohjaamiseen”, Rabl selittää. ”Tiimi osoitti, että kubitin voi alustaa, käsitellä ja lukea kokonaan mekaanisin keinoin.”

Ohjaamalla jatkuvasti SiV-spiniä akustisilla aalloilla tutkijat saavuttivat kaksi päätulosta. Ensinnäkin he pystyivät pidentämään koherenssiaikaa kolminkertaiseksi, vaikka laitteet toimivat alle yhden kelvinin lämpötiloissa. Toiseksi erittäin nopeat spin-kierrokset saavuttivat 800 MHz:n nopeuden, joka on nopein koskaan SiV-spineille saavutettu nopeus. Nämä nopeudet ovat lähes 100 kertaa nopeampia kuin aiemmat magneettikenttään perustuvat säätömenetelmät.

Tällaiset nopeat operaatiot ovat välttämättömiä tulevaisuuden kvanttiteknologioille, joissa kubitteja on manipuloitava nopeammin kuin ne purkautuvat.

Tulokset osoittavat, että kiinteän olomuodon kubittien mekaaninen suojaus ja ohjaus ovat paitsi mahdollista, myös erittäin tehokasta. Rablin mukaan tämä avaa useita tulevaisuuden suuntia: luotettavia kvanttimuisteja kvanttiviestintään, herkkiä nanoskaalan antureita magneettikentille, pieniä kvanttiprosessoreita, joissa fononit toimivat viestintäkanavana, ja hybridikvanttilaitteita, jotka yhdistävät spinejä, fotoneja ja mekaanisia resonaattoreita.

”Skaalaus satoihin kubitteihin on vielä kaukana”, Rabl toteaa. ”Mutta kvanttiverkoissa ja -sensoreissa, joissa tarvitaan vain muutama hyvin suojattu kubitti, tällä mekaanisella stabilointitekniikalla on valtava potentiaali.”

Aiheesta aiemmin:

Hyvät vibat kvanttiviestinnälle

Timanttipuolijohteista löydettiin uusia ominaisuuksia