O descoperire Caltech face ca memoria cuantică să dureze de 30 de ori mai mult.
Oamenii de știință de la Caltech au creat o memorie cuantică hibridă care transformă datele qubit în sunet, permițându-i să dureze de până la 30 de ori mai mult decât cu sistemele superconductive actuale.
În timp ce computerele convenționale stochează informații sub formă de biți, piese fundamentale de logică care iau o valoare de 0 sau 1, computerele cuantice se bazează pe qubiți. Aceștia pot avea o stare care este simultan și 0 și 1. Această proprietate ciudată, o ciudățenie a fizicii cuantice cunoscută sub numele de superpoziție, stă la baza promisiunii calculului cuantic de a rezolva în cele din urmă probleme care sunt imposibil de abordat pentru computerele clasice.
Multe computere cuantice existente se bazează pe sisteme electronice superconductive în care electronii curg fără rezistență la temperaturi extrem de scăzute. În aceste sisteme, natura mecanică cuantică a electronilor care curg prin rezonatoare atent proiectate creează qubiți superconductivi. Acești qubiți sunt excelenți la efectuarea rapidă a operațiilor logice necesare pentru calcul. Cu toate acestea, stocarea informațiilor - în acest caz stări cuantice, descriptori matematici ai sistemelor cuantice particulare - nu este punctul lor forte. Inginerii cuantici au căutat o modalitate de a crește timpii de stocare a stărilor cuantice prin construirea a ceea ce se numește "memorii cuantice" pentru qubiți superconductivi.
Acum, o echipă de oameni de știință de la Caltech a folosit o abordare hibridă pentru memorii cuantice, traducând efectiv informația electrică în sunet, astfel încât stările cuantice de la qubiții superconductivi să poată supraviețui în stocare pentru o perioadă de până la 30 de ori mai mare decât în alte tehnici.
Noua lucrare, condusă de studenții absolvenți Caltech, Alkim Bozkurt și Omid Golami, sub supravegherea lui Mohammad Mirhosseini, profesor asistent de inginerie electrică și fizică aplicată, apare într-un articol publicat în revista *Nature Physics*.
"Odată ce ai o stare cuantică, s-ar putea să nu vrei să faci nimic cu ea imediat", spune Mirhosseini. "Trebuie să ai o modalitate de a reveni la ea atunci când vrei să faci o operație logică. Pentru asta, ai nevoie de o memorie cuantică."
Anterior, grupul lui Mirhosseini a arătat că sunetul, în special fononii, care sunt particule individuale de vibrație (în felul în care fotonii sunt particule individuale de lumină) ar putea oferi o metodă convenabilă pentru stocarea informațiilor cuantice. Dispozitivele pe care le-au testat în experimente clasice păreau ideale pentru asocierea cu qubiții superconductivi, deoarece funcționau la aceleași frecvențe extrem de ridicate de gigahertzi (oamenii aud la frecvențe de hertzi și kilohertzi care sunt de cel puțin un milion de ori mai mici). De asemenea, au funcționat bine la temperaturile scăzute necesare pentru a păstra stările cuantice cu qubiți superconductivi și au avut durate lungi de viață.
Acum, Mirhosseini și colegii săi au fabricat un qubit superconductiv pe un cip și l-au conectat la un dispozitiv minuscul pe care oamenii de știință îl numesc oscilator mecanic. În esență, un diapazon în miniatură, oscilatorul este format din plăci flexibile care sunt vibrate de unde sonore la frecvențe de gigahertzi. Când se aplică o sarcină electrică pe acele plăci, plăcile pot interacționa cu semnale electrice care transportă informații cuantice. Acest lucru permite transmiterea informațiilor în dispozitiv pentru stocare ca "memorie" și să fie scoasă sau "amintită" mai târziu.
Cercetătorii au măsurat cu atenție cât timp a durat ca oscilatorul să-și piardă conținutul cuantic valoros odată ce informația a intrat în dispozitiv. "Se pare că acești oscilatori au o durată de viață de aproximativ 30 de ori mai mare decât cei mai buni qubiți superconductivi de pe piață", spune Mirhosseini.
Această metodă de construire a unei memorii cuantice oferă mai multe avantaje față de strategiile anterioare. Undele acustice călătoresc mult mai lent decât undele electromagnetice, permițând dispozitive mult mai compacte. Mai mult, vibrațiile mecanice, spre deosebire de undele electromagnetice, nu se propagă în spațiul liber, ceea ce înseamnă că energia nu se scurge din sistem. Acest lucru permite timpi de stocare extinși și atenuează schimbul nedorit de energie între dispozitivele din apropiere. Aceste avantaje indică posibilitatea ca multe astfel de diapazoane să poată fi incluse într-un singur cip, oferind o modalitate potențial scalabilă de a face memorii cuantice.
Mirhosseini spune că această lucrare a demonstrat cantitatea minimă de interacțiune între undele electromagnetice și acustice necesară pentru a sonda valoarea acestui sistem hibrid pentru utilizare ca element de memorie. "Pentru ca această platformă să fie cu adevărat utilă pentru calculul cuantic, trebuie să poți introduce date cuantice în sistem și să le scoți mult mai repede. Și asta înseamnă că trebuie să găsim modalități de a crește rata de interacțiune cu un factor de trei până la 10 dincolo de ceea ce este capabil sistemul nostru actual", spune Mirhosseini.
Din fericire, grupul său are idei despre cum se poate face acest lucru.
Alți autori ai lucrării, "O memorie cuantică mecanică pentru fotoni de microunde" sunt Yue Yu, un fost student vizitator în laboratorul Mirhosseini; și Hao Tian, un cercetător postdoctoral în inginerie electrică la Caltech.
Lucrarea a fost susținută de finanțare de la Oficiul Forțelor Aeriene de Cercetare Științifică și Fundația Națională de Știință. Bozkurt a fost susținut de o Bursă Eddleman Graduate.