Странные вибрации могут контролировать квантовый компьютер

На данный момент микроволновые фотоны являются ключами ко многим квантовым компьютерам (машинам, способным намного более эффективно, по сравнению с обычными компьютерами, выполнять вычислительные задачи). Но микроволновая технология громоздка, и её квантовые состояния недолговечны. Теперь несколько групп учёных изучают новый способ «поговорить» с квантовым компьютером: это очень маленькие вибрации, которые обычно несут только перегрев и шум.

Будущая дисциплина квантовой акустики может встряхнуть квантовые компьютеры, находящиеся в эмбриональном состоянии, путем миниатюризации технологий и создания более долговечной квантовой памяти. «Мы находимся на верном пути, пытаясь контролировать квантовые вибрации», говорит Эндрю Клеланд, физик из Чикагского университета в Иллинойсе, чья группа представила свою последнюю работу на прошлой неделе на ежегодной мартовской встрече Американского физического общества.

В то время как обычный компьютер переворачивает биты, которые могут быть изначально установлены в положение «0» или «1», квантовый компьютер использует кубиты, которые могут быть установлены в положения «0», «1» или, что странно, в оба эти положения одновременно, что потенциально может привести к огромному увеличению скорости. Компании, такие как Google и IBM, участвуют в демонстрации превосходства квантовых компьютеров для определенных задач, и многие из них делают ставку на кубиты из сверхпроводящих металлических схем на специальных чипах.

Для контроля или считывания информации с сверхпроводящего кубита, исследователи использовали взаимодействие с микроволновым резонатором. Последний, как правило, представляет собой полосу металла на поверхности кубита, или окружающую его впадину размером с палец. Регулируя энергию кубита, исследователи могут перевести свои квантовые состояния в резонатор. То есть, состояние «0» и «1» у кубита будет сохраняться в резонаторе как присутствие или отсутствие фотона. Но некоторые физики видят преимущества замены микроволнового резонатора механическим, в котором колебания будут также квантованны (то есть, разбиты на кванты – фононы).

«Эти попытки могут показаться глупыми, поскольку такие вибрации представляют собой тепло, которое уничтожает тонкие квантовые состояния. Но, если работать при температурах около абсолютного нуля, хорошо спроектированный акустический резонатор может излучать дольше, чем микроволновая печь, что позволяет ему действовать как своего рода квантовая память», говорит Роберт Шёлькопф, физик из Йельского университета. «Вибрации также имеют длины волн менее тысячной части микроволн одинаковой частоты, поэтому резонаторы могут быть гораздо более компактными», говорит он.

Во-первых, физики должны научиться контролировать квантовые вибрации. Первый шаг был сделан в 2010 году, когда Клеланд, тогда ещё в Калифорнийском университете, Санта-Барбара (UCSB), перевернул каждый фонон из осциллирующего кантилевера, вытравленного из нитрида алюминия. При этом каждый фонон остался в наименее энергетически выгодном состоянии. Однако эта простая квантовая позиция сохранилось всего на 5 наносекунд. Это слишком мало, чтобы перевести устройство в более сложные квантовые состояния движения.

Чтобы продвинуться дальше, сегодня исследователи манипулируют волнами, называемыми поверхностными акустическими волнами (ПАВ), которые перемещаются вдоль поверхности материала. На вершине микрочипа исследователи травят две решетки металлических полосок на расстоянии в 1 микрометр друг от друга. В зазоре между решетками вызывается волна, происходящая из-за подачи напряжения на имеющее форму гребня устройство, называемое преобразователем. Такое воздействие заставляет материал сжиматься. Решетки действуют как зеркала, отражающие ПАВ отдельных длин волн назад и вперед, так что они начинают резонировать в пространстве между этих решёток. И, подключив преобразователь к сверхпроводящему кубиту, исследователи связывают его квантовое состояние с ПАВ.

Используя этот подход, Клеланд и Кевин Сатцингер, аспирант UCSB, создали резонатор на основе чипа из ниобата лития, который помог сохранить квантовую позицию до 150 наносекунд. «Они показали, что могут создать любую желаемую комбинацию позиций «0» и «1» для фононов в резонаторе», сказал Сатцингер на встрече. «Мы можем наблюдать за энергией, перемещающейся туда и обратно» между кубитом и полостью, говорит он.

Исследователи из группы Шолкопфа фокусируются не на волнах, поглощённых на поверхности чипа, а на вибрациях, проходящих через весь объём материала. Они используют вибрации, которые могут резонировать между нижней и верхней гранями чипа, имеющего всего полмиллиметра толщины.

Используя эту геометрию, исследователи смогли удержать вибрации в сапфировом чипе на протяжении 60 микросекунд (!). Более того, исследователи смогли подавать до семи квантов вибрации один за другим в резонатор. Создание более сложных квантовых состояний — «это логичный следующий шаг», — говорит автор исследования. Например, по её словам, они могут попытаться превратить резонатор в состояние кота Шрёдингера. В этом случае резонатор будет содержать макроскопическую звуковую волну, в которой многие кванта одновременно и колеблются, и находятся в неподвижном состоянии.

Акустические резонаторы могут обеспечить большую гибкость в конструкции квантовых схем. В некоторых схемах несколько кубитов связаны с одним и тем же микроволновым резонатором, который выступает в качестве канала для кубитовых взаимодействий. Но большинство микроволновых резонаторов могут содержать только фотоны с одной частотой. «В этом случае все кубиты должны взаимодействовать друг с другом во взаимосвязанном беспорядке», говорит Конрад Лехнерт, физик из JILA.

Напротив, акустические резонаторы могут позволить кубитам взаимодействовать с колебаниями нескольких разных близко расположенных частот. Это должно позволить адаптировать взаимодействия между кубитами. Тогда, например, будут взаимодействовать только ближайшие соседи. Это позволит моделировать некоторые абстрактные квантовые системы. Учёные уже сделали шаг к такому контролю, продемонстрировав, что они могут одновременно связывать один кубит с ПАВ на нескольких частотах.

Квантовая акустика также может помочь решить серьезную проблему для возникающих квантовых технологий. Микроволновые кабели могут передавать информацию в пределах квантового компьютера. Однако, чтобы использовать его в других экспериментах или на расстоянии, эти сигналы, вероятно, должны быть преобразованы из микроволн в оптические, которые могут перемещаться на большие расстояния с помощью оптических волокон. Акустические волны, пульсирующие на микроволновых частотах, имеют длины волн, подобные волнам оптических фотонов. Так что в принципе они могут служить «мостом» для вышесказанной трансформации. Но до сих пор никто из учёных не представляет, как это можно осуществить.

Акустические резонаторы могут даже проверять границы квантовой сферы. Квантовая теория позволяет крошечным частицам, таким как атомы или фотоны, быть в двух местах одновременно, но никто никогда не видел такого поведения в макроскопическом материальном объекте. Некоторые теоретики утверждают, что всё дело в ещё не открытом квантовом принципе, который не позволяет осуществлять такое. Но авторы исследования говорят, что возможно, сапфировый чип, созданный ими, может одновременно вибрировать в противоположных направлениях. Нужно поставить десятки микрограмм материала в два немного разных места одновременно — и проверить, распространяется ли квантовая странность почти до человеческого масштаба. «Ты ничего не узнаешь, пока не попытаешься».

Сегодня всё чаще начинают экспериментировать с кубитами – основными составляющими квантового компьютера. Не так давно учёные смогли создать квантовую нейросеть – потенциально способную обучаться в сотни раз быстрее обычной. И это просто поражает!