Podczas gdy konwencjonalne komputery przechowują informacje w postaci bitów, podstawowe elementy logiki, które przyjmują wartość 0 lub 1, komputery kwantowe opierają się na kubitach. Mogą one mieć stan, który jednocześnie jest zarówno 0, jak i 1. Ta dziwna właściwość, osobliwość fizyki kwantowej znana jako nadłożenie, leży u podstaw obietnicy komputerów kwantowych dotyczącej ostatecznego rozwiązywania problemów, które są nie do rozwiązania dla komputerów klasycznych.
Wiele istniejących komputerów kwantowych opiera się na nadprzewodzących systemach elektronicznych, w których elektrony przepływają bez oporu w skrajnie niskich temperaturach. W tych systemach kwantowa natura elektronów przepływających przez starannie zaprojektowane rezonatory tworzy nadprzewodzące kubity. Te kubity doskonale sprawdzają się w szybkim wykonaniu operacji logicznych niezbędnych do obliczeń. Jednak przechowywanie informacji – w tym przypadku stanów kwantowych, matematycznych deskryptorów określonych systemów kwantowych – nie jest ich mocną stroną. Inżynierowie kwantowi starali się znaleźć sposób na zwiększenie czasów przechowywania stanów kwantowych przez konstruowanie tzw. „pamięci kwantowych” dla nadprzewodzących kubitów.
Teraz zespół naukowców z Caltech zastosował hybrydowe podejście do pamięci kwantowych, skutecznie przekształcając informacje elektryczne w dźwięk, dzięki czemu stany kwantowe z nadprzewodzących kubitów mogą przetrwać w pamięci nawet 30 razy dłużej niż w innych technikach.
Nowe badania, prowadzone przez studentów doktorskich Caltechu, Alkima Bozkurta i Omida Golamiego, pod kierownictwem Mohammad Mirhosseini, adiunkta elektrotechniki i fizyki stosowanej, zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Physics.
„Gdy już masz stan kwantowy, możesz nie chcieć natychmiast nic z nim robić” – mówi Mirhosseini. „Musisz mieć sposób, aby do niego wrócić, gdy chcesz wykonać operację logiczną. Dlatego potrzebujesz pamięci kwantowej.”
Uprzednio grupa Mirhosseiniego pokazała, że dźwięk, a dokładniej fonony, które są pojedynczymi cząstkami drgań (podobnie jak fotony są pojedynczymi cząstkami światła), może dostarczyć wygodną metodę przechowywania informacji kwantowej. Urządzenia, które testowali w klasycznych eksperymentach, wydawały się idealne do połączenia z nadprzewodzącymi kubitami, ponieważ działały przy tych samych skrajnie wysokich częstotliwościach gigahercowych (ludzie słyszą przy częstotliwościach hercowskich i kilohercowych, które są co najmniej milion razy wolniejsze). Dodatkowo zachowywały się dobrze w niskich temperaturach niezbędnych do zachowania stanów kwantowych z nadprzewodzącymi kubitami oraz miały długą żywotność.
Teraz Mirhosseini i jego koledzy skonstruowali kubit nadprzewodzący na czipie i połączyli go z niewielkim urządzeniem, które naukowcy nazywają oscylatorem mechanicznym. W zasadzie jest to miniatury widełki, oscylator składa się z elastycznych płyt, które są drgane przez fale dźwiękowe o częstotliwości gigahercowej. Gdy na tych płytach pojawi się ładunek elektryczny, płyty mogą oddziaływać z sygnałami elektrycznymi przenoszącymi informacje kwantowe. Pozwala to na wprowadzenie informacji do urządzenia w celu przechowywania jako „pamięć” oraz wyciągnięcie, czyli „pamiętanie” jej później.
Naukowcy dokładnie zmierzyli, jak długo trwało, zanim oscylator stracił cenny zawartość kwantową, gdy informacja weszła do urządzenia. „Okazuje się, że te oscylatory mają żywotność około 30 razy dłuższą niż najlepsze kubity nadprzewodzące” – mówi Mirhosseini.
Ten sposób konstruowania pamięci kwantowej ma kilka zalet w porównaniu z poprzednimi strategiami. Fale akustyczne podróżują znacznie wolniej niż fale elektromagnetyczne, umożliwiając tworzenie znacznie bardziej kompaktowych urządzeń. Ponadto wibracje mechaniczne, w przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych, nie rozchodzą się w przestrzeni wolnej, co oznacza, że energia nie wycieka z systemu. Pozwala to na dłuższe czasy przechowywania i redukuje niepożądane wymiany energii między sąsiednimi urządzeniami. Te zalety wskazują na możliwość, że wiele takich widełek może być zawartych na jednym czipie, co daje potencjalnie skalowalny sposób tworzenia pamięci kwantowych.
Mirhosseini mówi, że te prace pokazały minimalną ilość interakcji między falami elektromagnetycznymi a akustycznymi potrzebną do zbadania wartości tego hybrydowego systemu w celu wykorzystania go jako elementu pamięciowego. „Aby ta platforma była naprawdę przydatna w obliczeniach kwantowych, trzeba umieć w szybszy sposób wprowadzać dane kwantowe do systemu i je z niego wyjmować. Oznacza to, że musimy znaleźć sposoby zwiększenia tempa interakcji o czynnik trzy do dziesięciokrotnie poza możliwością naszego obecnego systemu” – mówi Mirhosseini. Na szczęście jego grupa ma pomysły, jak to można osiągnąć.
Dodatkowymi autorami pracy „Mechaniczna pamięć kwantowa dla fotonów mikrofalowych” są Yue Yu, były student doktorancki w laboratorium Mirhosseini oraz Hao Tian, badacz stypendysta Instytutu ds. Informacji i Materiału Kwantowego w dziale elektrotechniki Caltechu. Pracę wsparło finansowanie od Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych i Narodowej Fundacji Nauki. Bozkurt był wspierany przez stypendium studiów doktoranckich Eddlemana.
