Výzkumníci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences předvedli způsob, jak chránit kvantovou informaci pomocí velmi malých mechanických vibrací. U jediného spinového qubitu tvořeného křemíkovou vakancí v diamantu prodloužili dobu koherence více než trojnásobně. Koherence označuje dobu, po kterou si kvantový systém uchová informaci o svém stavu, například o superpozici dvou možných hodnot.
Výsledek popisuje studie zveřejněná v časopise Nature Physics s názvem All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit. Experiment vedli Eliza Cornell a Zhujing Xu v týmu Marka Lončara. Vědci pracovali s takzvaným centrem křemíkové vakance, tedy místem v krystalové mřížce diamantu, kde chybí atom uhlíku a jehož okolí obsahuje atom křemíku. Spin elektronu spojený s touto vadou může sloužit jako kvantová paměť.
Vibrace místo mikrovlnných pulzů
Qubity jsou citlivé na rušení z okolí, například na kolísání magnetického pole. To může narušit fázi jejich kvantového stavu a vést k dekoherenci, tedy ke ztrátě kvantové informace. Běžné metody potlačení tohoto rušení využívají posloupnosti mikrovlnných pulzů. Ty ale mohou být obtížně slučitelné s rezonančními strukturami, které mají současně umožnit vazbu mezi spinem a mechanickými vibracemi.
Harvardští vědci proto použili nepřetržitě působící akustické pole. Na diamantovém čipu vytvořili pomocí piezoelektrické vrstvy z nitridu hliníku povrchové akustické vlny. Kovové interdigitalní měniče převáděly elektrický signál na mechanické vibrace a soustředily je do místa, kde se nacházel zkoumaný spin.
Trvalé působení vibrací změnilo popis qubitu do takzvané „oblečené“ báze. Jde o stav definovaný společně spinem a řídicím polem, který je méně citlivý k nízkofrekvenčnímu šumu okolí. Naměřená koherence běžného, nechráněného stavu trvala přibližně 680 nanosekund, zatímco u „oblečeného“ stavu dosáhla zhruba 2,2 mikrosekundy. Studie zároveň uvádí koherenci kolem 3,1 mikrosekundy při použití dalšího refokačního pulzu.
Možná součást kvantových sítí
Fonony, tedy kvanta mechanického kmitání v látce, by v budoucích zařízeních mohly plnit dvě úlohy: přenášet kvantovou informaci mezi jednotlivými uzly a současně pomáhat chránit paměť před rušením. Oproti světelným vlnám mají při stejné frekvenci kratší vlnovou délku, takže součástky založené na fononech mohou být menší a lépe integrovatelné na čipu. Fonony navíc mohou zprostředkovat vazbu mezi pevnými látkami, spiny a elektromagnetickými systémy.
Výzkum zatím nepředstavuje hotový prvek kvantového počítače ani funkční kvantovou síť. Autoři upozorňují, že dosaženou koherenci omezuje mimo jiné zahřívání vzorku a slabé zapojení vyšších orbitálních stavů diamantu do řízeného pohybu. Další zlepšení by podle studie mohla přinést úprava mechanického napětí v okolí vakance, jiné defekty v diamantu nebo změna fononického prostředí. Experiment ale ukázal, že ochranu spinového qubitu lze provádět přímo pomocí stejného typu mechanických struktur, které mají jednou sloužit také k přenosu kvantové informace.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.