Многие проекты квантовых компьютеров передают данные с помощью частиц света, известных как фотоны. Однако исследователи из Чикагского университета (Pritzker School of Molecular Engineering, UChicago PME) обращаются к звуку.
В новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Physics, группа учёных, объединяющая экспериментаторов из лаборатории Кленда (Cleland Lab) и теоретиков из группы Цзяна (Jiang Group), продемонстрировала детерминированный фазовый контроль фононов — крошечных механических колебаний, которые в более крупном масштабе можно считать звуком.
Убрав случайность, присущую системам, основанным на фотонах, этот фазовый контроль может дать звуку преимущество перед светом в создании квантовых компьютеров будущего.
«Детерминированная природа нашей платформы на основе фононов подразумевает, что она может оказаться более подходящей для квантовых вычислений, чем фотоны, хотя всё ещё остаётся много открытых вопросов», — сказал профессор UChicago PME Эндрю Кленд.
Исследователи из UChicago PME смогли детерминированно контролировать фазу фонона, рассеивая его на сверхпроводящем кубите — квантовом эквиваленте бита данных, из которых состоит обычный компьютер, — и опосредованном электрическом взаимодействии. Это означает, что они могут отправлять данные на основе фононов через квантовый компьютер без случайности, которая по своей природе всегда будет мешать платформам, основанным на фотонах.
Теоретически это может привести к созданию систем, столь же быстрых и мощных, как лучшие квантовые компьютеры, но столь же предсказуемых, как ваш настольный компьютер.
«Наличие этих детерминированных квантовых операций даёт этой гибридной платформе преимущество перед чисто линейно-оптическими подходами», — сказал первый автор Хонг Цяо, постдокторант в лаборатории Кленда.
Детерминированные системы — это простые причинно-следственные связи без участия случайности. Это означает, что если учёные делают А, они всегда получат Б, если ничего не сломается. Но многие аспекты квантовой механики являются вероятностными, также известными как недетерминированные. Это означает, что даже в идеально работающей системе есть определённая вероятность того, что исследователи не получат желаемый результат. Если учёные делают А, они могут получить Б. Или они могут получить В, возможно, Г или что-то ещё, в зависимости от типа квантовой системы, которую они используют.
Возможность контролировать фазы фононов может быть применима к широкому спектру компьютерных архитектур, включая новую систему квантовой памяти с произвольным доступом, разработанную той же командой ранее в этом году.
«Квантовая фоника развивается как область, с новыми теоретическими архитектурами, позволяющими создавать всё более компактные устройства и обеспечивать интеграцию в более крупных масштабах», — сказал профессор UChicago PME Лян Цзян.
Следующим препятствием для команды является увеличение времени жизни фононов, чтобы вибрации длились достаточно долго, чтобы быть полезными для квантовых вычислений.
«В настоящее время эти фононы имеют время жизни в микросекундном диапазоне», — сказал Цяо. «Мы хотели бы дать этому фонону время жизни, возможно, в 100 раз больше, чтобы он был полезен для вычислительных задач».
Эта цель, хотя и амбициозная, вполне укладывается в теоретические возможности, сказал соавтор Чжаою Ван, постдокторант в теоретической группе Цзяна. Причина, по которой время жизни настолько короткое, заключается в том, что фононы связаны с кубитом. Эта связь, позволяя команде контролировать фононы, значительно сокращает время жизни вибраций, подобно тому, как если бы вы взяли звенящий колокольчик, чтобы заглушить его.
Сами по себе фононы могут иметь время когерентности до нескольких секунд, что намного больше, чем могут обеспечить фотоны. Это связано с тем, что свет излучает себя в субатомную пустоту. Вибрации просто вибрируют сами по себе.
«Фотоны — это электромагнитная волна, поэтому существует множество каналов утечки наружу», — сказал Ван. «Фононы будут затухать, если вы вступите с ними в контакт, но они не просачиваются в вакуум. В принципе, если у вас есть очень хорошо изолированные фононные резонаторы, и если вы не будете вступать с ними в контакт, это не приведёт к затуханию».
Текущее короткое время жизни ограничивает масштабирование примерно до 10 фононов, сказал Кленд. Но он сказал, что команда надеется решить проблему потерь в будущей работе.
«Мы воодушевлены достижениями, описанными в этой статье, которые указывают на будущую возможность использования фононов для квантовых вычислений в полностью твердотельном формате на основе чипов», — сказал Кленд.
Предоставлено:
[University of Chicago](https://phys.org/partners/university-of-chicago/)