В то время как обычные компьютеры хранят информацию в виде битов, основных логических элементов, которые могут принимать значение 0 или 1, квантовые компьютеры основаны на кубитах. Они могут находиться в состоянии, которое одновременно является и 0, и 1. Это необычное свойство, особенность квантовой физики, известная как суперпозиция, лежит в основе потенциала квантовых вычислений для решения задач, которые невозможно решить на классических компьютерах.
Многие существующие квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электронных системах, в которых электроны протекают без сопротивления при экстремально низких температурах. В этих системах квантово-механическая природа электронов, протекающих через тщательно разработанные резонаторы, создаёт сверхпроводящие кубиты.
Кубиты отлично подходят для быстрого выполнения логических операций, необходимых для вычислений. Однако хранение информации — в данном случае квантовых состояний, математических описаний определённых квантовых систем — не является их сильной стороной. Квантовые инженеры искали способ увеличить время хранения квантовых состояний, создавая так называемые «квантовые памяти» для сверхпроводящих кубитов.
Теперь команда учёных из Калифорнийского технологического института (Caltech) использовала гибридный подход для квантовых памятей, эффективно переводя электрическую информацию в звук, чтобы квантовые состояния из сверхпроводящих кубитов могли сохраняться в памяти в течение периода, в 30 раз более длительного, чем при использовании других методов.
Новая работа, проведённая под руководством аспирантов Caltech Алкима Бозкурта и Омида Голами под руководством Мохаммада Мирхоссейни, доцента кафедры электротехники и прикладной физики, опубликована в журнале Nature Physics.
«Как только у вас есть квантовое состояние, возможно, вы не захотите сразу что-то с ним делать, — говорит Мирхоссейни. — Вам нужен способ вернуться к нему, когда вы захотите выполнить логическую операцию. Для этого нужна квантовая память».
Ранее группа Мирхоссейни показала, что звук, а именно фононы, отдельные частицы вибрации (подобно тому, как фотоны являются отдельными частицами света), может обеспечить удобный метод хранения квантовой информации.
Устройства, которые они тестировали в классических экспериментах, казались идеальными для работы со сверхпроводящими кубитами, поскольку они работали на тех же чрезвычайно высоких гигагерцовых частотах (люди слышат на частотах герц и килогерц, которые как минимум в миллион раз медленнее). Они также хорошо работали при низких температурах, необходимых для сохранения квантовых состояний со сверхпроводящими кубитами, и имели длительный срок службы.
Теперь Мирхоссейни и его коллеги создали сверхпроводящий кубит на чипе и подключили его к крошечному устройству, которое учёные называют механическим осциллятором. По сути, это миниатюрный камертон, состоящий из гибких пластин, которые вибрируют под действием звуковых волн на гигагерцовых частотах. Когда на эти пластины подаётся электрический заряд, пластины могут взаимодействовать с электрическими сигналами, несущими квантовую информацию. Это позволяет передавать информацию в устройство для хранения в качестве «памяти» и извлекать её позже.
Исследователи тщательно измерили, сколько времени требуется осциллятору, чтобы потерять своё ценное квантовое содержимое после того, как информация поступила в устройство. «Оказывается, что у этих осцилляторов срок службы примерно в 30 раз больше, чем у лучших сверхпроводящих кубитов, существующих сегодня», — говорит Мирхоссейни.
Этот метод создания квантовой памяти имеет ряд преимуществ перед предыдущими стратегиями. Звуковые волны распространяются гораздо медленнее, чем электромагнитные волны, 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 уходит из системы.
Это позволяет увеличить время хранения и уменьшить нежелательный обмен энергией между соседними устройствами. Эти преимущества указывают на возможность включения множества таких камертонов в один чип, что обеспечивает потенциально масштабируемый способ создания квантовых памятей.
Мирхоссейни говорит, что эта работа продемонстрировала минимальное количество взаимодействия между электромагнитными и звуковыми волнами, необходимое для изучения ценности этой гибридной системы для использования в качестве элемента памяти. «Чтобы эта платформа была действительно полезна для квантовых вычислений, нужно уметь вводить в систему квантовые данные и извлекать их гораздо быстрее. А это значит, что мы должны найти способы увеличения скорости взаимодействия в три-десять раз по сравнению с тем, на что способна наша нынешняя система», — говорит Мирхоссейни. К счастью, у его группы есть идеи, как это можно сделать.
Предоставлено California Institute of Technology.
paper published in the journal Nature Physics.”,”\”Once you have a quantum state, you might not want to do anything with it immediately,\” Mirhosseini says. \”You need to have a way to come back to it when you want to do a logical operation. For that, you need a quantum memory.\””,”Previously, Mirhosseini’s group showed that sound, specifically phonons, which are individual particles of vibration (in the way that photons are individual particles of light), could provide a convenient method for storing quantum information.”,”The devices they tested in classical experiments seemed ideal for pairing with superconducting qubits because they worked at the same extremely high gigahertz frequencies (humans hear at hertz and kilohertz frequencies that are at least a million times slower). They also performed well at the low temperatures needed to preserve quantum states with superconducting qubits and had long lifetimes.”,”Now Mirhosseini and his colleagues have fabricated a superconducting qubit on a chip and connected it to a tiny device that scientists call a mechanical oscillator. Essentially a miniature tuning fork, the oscillator consists of flexible plates that are vibrated by sound waves at gigahertz frequencies. When an electric charge is placed on those plates, the plates can interact with electrical signals carrying quantum information. This allows information to be piped into the device for storage as a \”memory\” and be piped out, or \”remembered,\” later.”,”The researchers carefully measured how long it took for the oscillator to lose its valuable quantum content once information entered the device. \”It turns out that these oscillators have a lifetime about 30 times longer than the best superconducting qubits out there,\” Mirhosseini says.”,”This method of constructing a quantum memory offers several advantages over previous strategies. Acoustic waves travel much slower than electromagnetic waves, enabling much more compact devices. Moreover, mechanical vibrations, unlike electromagnetic waves, do not propagate in free space, which means that energy does not leak out of the system.”,”This allows for extended storage times and mitigates undesirable energy exchange between nearby devices. These advantages point to the possibility that many such tuning forks could be included in a single chip, providing a potentially scalable way of making quantum memories.”,”Mirhosseini says this work has demonstrated the minimum amount of interaction between electromagnetic and acoustic waves needed to probe the value of this hybrid system for use as a memory element.”,”\”For this platform to be truly useful for quantum computing, you need to be able to put quantum data in the system and take it out much faster. And that means that we have to find ways of increasing the interaction rate by a factor of three to 10 beyond what our current system is capable of,\” Mirhosseini says. Luckily, his group has ideas about how that can be done.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCalifornia Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник