Их новая система преобразует хрупкие квантовые состояния в микроскопические звуковые волны, храня их в виде вибраций на чипе — подобно тому, как камертон сохраняет звук после удара. Этот подход может стать основой для масштабируемой, устойчивой квантовой памяти, без которой невозможно построить мощные и надёжные квантовые компьютеры.
Кубиты: мощные, но недолговечные
В отличие от классических битов, которые могут быть либо 0, либо 1, кубиты используют принцип квантовой суперпозиции — одновременно находиться в обоих состояниях. Это даёт квантовым компьютерам колоссальную вычислительную мощность для решения задач, недоступных классическим машинам: от моделирования молекул до взлома шифров.
Однако есть проблема: кубиты крайне хрупки. В современных квантовых компьютерах, построенных на сверхпроводящих цепях, квантовые состояния разрушаются за микросекунды из-за малейших помех — тепла, шумов или электромагнитных полей. Это явление, называемое декогеренцией, делает хранение информации почти невозможным.
«Вы можете создать квантовое состояние, но не обязательно использовать его сразу, — говорит Мохаммад Мирхоссейни, доцент кафедры электротехники и прикладной физики в Caltech. — Чтобы выполнять сложные вычисления, вам нужна возможность сохранить его и вернуться позже. Вот для чего нужна квантовая память».
Звук вместо света: новая парадигма хранения
Команда Мирхоссейни предложила радикально иной подход: перевести квантовую информацию из электрической формы в механическую — в виде звука.
В основе технологии — механический осциллятор, по сути, микроскопический камертон, выгравированный на кремниевом чипе. Когда на его гибкие пластины подаётся электрический сигнал от сверхпроводящего кубита, они начинают вибрировать на гигагерцовых частотах — в миллион раз быстрее, чем слышит человеческое ухо.
Эти вибрации — не просто звук, а квантовые частицы звука, называемые фононами, аналогично тому, как фотоны — частицы света. Именно фононы и становятся носителями квантовой информации.
«Мы показали, что можно передать квантовое состояние от кубита к звуковой волне и хранить его там значительно дольше», — поясняет Мирхоссейни.
Рекордное время когерентности
Команда измерила, как долго осциллятор может сохранять квантовое состояние, прежде чем оно разрушится. Результат впечатляет: время когерентности — до 30 раз больше, чем у лучших сверхпроводящих кубитов.
«Это не просто улучшение — это качественный скачок, — говорит Мирхоссейни. — Такая память может стать мостом между быстрыми операциями и долгосрочным хранением».
Почему звук работает лучше?
Использование звука вместо электромагнитных волн даёт несколько ключевых преимуществ:
- Медленное распространение: звуковые волны движутся в тысячи раз медленнее света, что позволяет создавать компактные устройства, способные умещать длинные волны на маленьком чипе.
- Локализация энергии: механические колебания не «улетучиваются» в пространство, как электромагнитные волны, что снижает потери энергии и помехи между соседними компонентами.
- Высокая стабильность: при криогенных температурах (около 10 мК), необходимых для квантовых систем, механические осцилляторы демонстрируют исключительную устойчивость.
Эти свойства делают возможным масштабирование: на одном чипе можно разместить множество таких «камертонов», создавая многоуровневую квантовую память.
Как это работает на практике?
На чипе сверхпроводящий кубит соединён с механическим осциллятором через золотые электроды, видимые на изображении под сканирующим электронным микроскопом. Когда кубит передаёт квантовое состояние, электрическое поле заставляет пластины осциллятора вибрировать, запуская фононы. После завершения операции информация может быть обратно преобразована в электрический сигнал и возвращена в вычислительную цепь.
«Это как записать информацию на голосовую почту, а потом воспроизвести её, когда нужно», — объясняет один из авторов, аспирант Омид Голами.
Что дальше?
Пока взаимодействие между кубитом и осциллятором происходит слишком медленно для массового применения. Чтобы система стала полезной в реальных квантовых компьютерах, учёные должны в 3–10 раз ускорить передачу данных.
«Мы уже знаем, как это можно сделать — через оптимизацию геометрии и материалы, — говорит Мирхоссейни. — Следующий шаг — повысить скорость, не жертвуя временем хранения».
Команда также работает над интеграцией нескольких осцилляторов в сеть, что позволит создавать архитектуры квантовой памяти, подобные оперативной памяти в классических компьютерах.
Источник: https://scitechdaily.com/sound-waves-unlock-a-new-path-to-practical-quantum-computing/
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
