|
Использование звука для запоминания квантовой информации
|
|
|
|
Многие существующие квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электронных системах, в которых электроны текут без сопротивления при чрезвычайно низких температурах. В этих системах квантово-механическая природа электронов, проходящих через тщательно спроектированные резонаторы, создает сверхпроводящие кубиты. Эти кубиты превосходно справляются с быстрым выполнением логических операций, необходимых для вычислений.
|
|
|
|
Однако хранение информации — в данном случае квантовых состояний, математических описаний конкретных квантовых систем — не является их сильной стороной. Квантовые инженеры ищут способ увеличить время хранения квантовых состояний, создавая так называемые “квантовые запоминающие устройства” для сверхпроводящих кубитов.
|
|
|
|
Теперь команда ученых из Калифорнийского технологического института использовала гибридный подход для создания квантовой памяти, эффективно преобразуя электрическую информацию в звук, так что квантовые состояния сверхпроводящих кубитов могут сохраняться в памяти в 30 раз дольше, чем при использовании других методов.
|
|
|
|
Новая работа, проведенная аспирантами Калифорнийского технологического института Алкимом Бозкуртом и Омидом Голами под руководством Мохаммада Мирхоссейни, доцента кафедры электротехники и прикладной физики, опубликована в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.
|
|
|
|
|
|
|
“Когда у вас есть квантовое состояние, вы можете не захотеть что-либо с ним делать немедленно”, - говорит Мирхоссейни. “У вас должен быть способ вернуться к нему, когда вы захотите выполнить логическую операцию. Для этого вам нужна квантовая память”.
|
|
|
|
Ранее группа Мирхоссейни показала, что звук, в частности фононы, которые являются отдельными вибрирующими частицами (подобно тому, как фотоны являются отдельными частицами света), могут обеспечить удобный метод хранения квантовой информации. Устройства, которые они тестировали в классических экспериментах, казались идеальными для сопряжения со сверхпроводящими кубитами, поскольку они работали на тех же чрезвычайно высоких гигагерцовых частотах (люди слышат на частотах герц и килогерц, которые по меньшей мере в миллион раз медленнее). Они также хорошо работали при низких температурах, необходимых для сохранения квантовых состояний сверхпроводящих кубитов, и имели длительный срок службы.
|
|
|
|
Теперь Мирхоссейни и его коллеги изготовили сверхпроводящий кубит на кристалле и подключили его к крошечному устройству, которое ученые называют механическим генератором. Генератор, представляющий собой миниатюрный камертон, состоит из гибких пластин, которые вибрируют под воздействием звуковых волн с частотой гигагерц. Когда на эти пластины помещается электрический заряд, они могут взаимодействовать с электрическими сигналами, несущими квантовую информацию. Это позволяет передавать информацию в устройство для хранения в виде “памяти”, а затем передавать ее обратно или “запоминать”.
|
|
|
|
Исследователи тщательно измерили, сколько времени потребовалось генератору, чтобы потерять свое ценное квантовое содержимое после того, как информация поступила в устройство. “Оказывается, срок службы этих генераторов примерно в 30 раз больше, чем у лучших из существующих сверхпроводящих кубитов”, - говорит Мирхоссейни.
|
|
|
|
Этот метод создания квантовой памяти имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущими стратегиями. Акустические волны распространяются намного медленнее, чем электромагнитные, что позволяет создавать гораздо более компактные устройства. Кроме того, механические колебания, в отличие от электромагнитных волн, не распространяются в свободном пространстве, что означает, что энергия не выходит за пределы системы. Это позволяет увеличить время хранения и уменьшает нежелательный обмен энергией между расположенными рядом устройствами. Эти преимущества указывают на возможность того, что множество таких камертонов может быть встроено в один чип, обеспечивая потенциально масштабируемый способ создания квантовой памяти.
|
|
|
|
Мирхоссейни говорит, что эта работа продемонстрировала минимальное взаимодействие между электромагнитными и акустическими волнами, необходимое для того, чтобы оценить ценность этой гибридной системы для использования в качестве элемента памяти. “Чтобы эта платформа была действительно полезна для квантовых вычислений, вы должны иметь возможность вводить квантовые данные в систему и извлекать их гораздо быстрее. А это означает, что мы должны найти способы увеличить скорость взаимодействия в три-десять раз по сравнению с тем, на что способна наша нынешняя система”, - говорит Мирхоссейни. К счастью, у его группы есть идеи о том, как это можно сделать.
|
|
|
|
Другими авторами статьи “Механическая квантовая память для микроволновых фотонов” являются Юэ Ю, бывший приглашенный студент-старшекурсник лаборатории Мирхоссейни; и Хао Тянь, аспирант Института квантовой информации и материи, научный сотрудник по электротехнике Калифорнийского технологического института. Работа была выполнена при финансовой поддержке Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда. Бозкурт был поддержан стипендией Эддлмана для аспирантов.
|
|
|
|
Источник
|
