Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson demonstraram uma nova maneira de proteger informações quânticas delicadas usando vibrações mecânicas, essencialmente ondas sonoras microscópicas.
O avanço, desenvolvido no laboratório de Marco Loncar, professor de Engenharia Elétrica da Tiantsai Lin, poderá apoiar o desenvolvimento de redes quânticas compactas construídas diretamente em chips. Também poderia ajudar a habilitar sistemas quânticos híbridos que combinam vários tipos diferentes de bits quânticos, ou qubits.
As descobertas foram publicadas física da natureza. Os experimentos foram liderados pelo recente Ph.D. Eliza Cornell fez isso. , graduado pelo laboratório Lonker que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Boston, e Xuejing Xu, ex-bolsista de pós-doutorado no grupo de Lonker.
Usando som para transportar informações quânticas
Uma abordagem promissora para redes quânticas usa o spin de um elétron associado a uma impureza no diamante para armazenar informações quânticas. Pequenos pacotes de vibrações mecânicas chamados fônons podem então servir como portadores que transferem informações entre nós qubit.
O Laboratório Loncar desempenhou um papel importante na divulgação do potencial destes sistemas. Um de seus avanços é uma estrutura conhecida como cavidade fonônica, que retém vibrações mecânicas para que possam interagir mais fortemente com os spins dos elétrons dentro de um qubit.
Os fônons podem ter vantagens significativas sobre a luz, que é comumente usada para transferir informações quânticas em redes em escala de chip. Na mesma frequência, os fônons têm um comprimento de onda muito mais curto que a luz, tornando possível construir componentes significativamente menores e agrupá-los de forma mais compacta.
Os fônons interagem prontamente com spin de estado sólido e campos eletromagnéticos. Essa versatilidade os torna particularmente atraentes para tecnologias quânticas híbridas que reúnem diferentes tipos de qubits em um único sistema.
O desafio de preservar a memória quântica
No entanto, o uso de fônons cria uma grande dificuldade: proteger a memória quântica.
Qubits são extremamente sensíveis a perturbações ao seu redor. Para permanecerem úteis, eles devem preservar seu estado quântico por tempo suficiente para armazenar e processar informações. Essa habilidade é conhecida como coerência.
Os pesquisadores geralmente protegem as memórias quânticas da interferência ambiental usando pulsos de micro-ondas que isolam ou isolam a memória do ruído ambiente. Essas técnicas não funcionam muito bem para qubits colocados dentro de cavidades acústicas.
Essa limitação tornou difícil alcançar interações fortes com fônons e memória quântica de longa duração no mesmo dispositivo.
Qubits “decorados” protegidos por som
A equipe do SEAS resolveu o problema demonstrando o que descreveu como “preservação da coerência totalmente mecânica” para spins vazios de silício no diamante.
Em vez de confiar em pulsos de microondas convencionais, os pesquisadores aplicaram um campo de acionamento mecânico composto por fônons contínuos. Isso transformou o qubit em um tipo diferente de estado quântico conhecido como qubit “vestido”.
O termo “vestido” refere-se a “vestir” efetivamente um campo acústico contínuo. Neste estado, o qubit torna-se menos sensível ao ruído de baixa frequência do seu entorno.
Como a segurança vem de um campo mecânico contínuo compatível com cavidades fonônicas, a técnica poderia funcionar dentro das mesmas estruturas que poderiam eventualmente conectar nós estáveis em redes quânticas.
Isso dá aos telefones uma função dupla potencialmente poderosa. Eles podem transportar informações quânticas entre diferentes partes da rede, bem como ajudar a proteger essas informações do ruído ambiental.
“Estamos resolvendo dois problemas”, disse Cornell. “Queremos que o spin tenha fortes interações com o fônon, e queremos que o spin tenha um longo tempo de coerência. Nosso artigo demonstra um método para aumentar o tempo de coerência que é compatível com o centro de vacância de silício na cavidade.”
A coerência quântica dura quase três vezes mais
Com o novo método, os pesquisadores aumentaram o tempo de coerência do spin da vacância do silício em quase três vezes.
O resultado mostra que a supressão de ruído mecânico de ondas contínuas pode melhorar a coerência quântica em dispositivos reais, sugerindo que as ondas sonoras microscópicas podem se tornar uma ferramenta importante para a construção de sistemas quânticos mais confiáveis e compactos.
“Proteção de coerência totalmente mecânica e controle rápido de um Spin Qubit” em coautoria com Zhaoyu Wang, Hana K. Warner, Eliana Mann, Michael Haas, Smarak Maiti, Graham Joe, Liang Jiang, Peter Rabal e Benjamin Pingault.
A pesquisa recebeu apoio federal dos EUA: National Science Foundation sob o número de concessão EEC-1941583; Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea sob os números FA9550-23-1-0333 e FA9550-23-1-0338; e Q-Next, Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, sob o número de prêmio DE-FOA-0002253.
Este trabalho foi realizado em parte no Harvard Center for Nanoscale Systems, membro da National Nanotechnology Infrastructure Network, apoiado pelo prêmio da National Science Foundation número ECS-0335765.
O Harvard Technology Development Office está explorando ativamente a proteção de patentes e oportunidades de comercialização para inovações decorrentes desta pesquisa.
