All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

Auf der Suche nach dem Aufbau eines Quanteninternets suchen Wissenschaftler nach einem Weg, empfindliche Informationen zwischen winzigen, stationären Computern zu bewegen, ohne sie auf dem Weg dorthin zu verlieren. Diese Computer, bekannt als Qubits, verlassen sich oft auf den Spin eines Elektrons – eine Eigenschaft, die wie eine winzige, interne Kompassnadel wirkt –, um Daten zu speichern. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Nadeln unglaublich empfindlich sind; die kleinste Vibration oder ein magnetisches Flüstern aus der Umgebung kann die Information durcheinanderbringen und dazu führen, dass der Computer vergisst, was er gerade tat. Um dies zu lösen, haben Forscher lange Zeit nach Licht, oder Photonen, Ausschau gehalten, um Nachrichten zwischen Knoten zu tragen. Licht nimmt jedoch viel Platz ein und kann leicht mit sich selbst interferieren. Eine kompaktere Alternative ist das Phonon, ein Teilchen des Schalls oder der Vibration, das durch feste Materialien reist. Da Schallwellen viel kleiner sind als Lichtwellen und stark mit den Materialien interagieren, durch die sie reisen, bieten sie einen vielversprechenden Weg zum Aufbau dichter, effizienter Netzwerke auf einem einzigen Chip. Doch um den Schall als Boten zu nutzen, mussten Wissenschaftler zuerst beweisen, dass sie das stationäre Qubit vor Rauschen schützen können, während sie gleichzeitig Schall zur Steuerung desselben verwenden – eine Aufgabe, die nahezu unmöglich schien, da sich die Methoden, die zur Abschirmung des Qubits verwendet werden, oft mit den Methoden beißen, mit denen man mit ihm kommuniziert.

Ein Team von Forschern der Harvard University und der University of Chicago hat nun einen Weg demonstriert, dieses empfindliche Gleichgewicht unter Verwendung einer spezifischen Art von Defekt in einem Diamantkristall, einer sogenannten Silizium-Vakanz, zu erreichen. In ihrem Experiment platzierten sie einen einzelnen Diamantchip in einem superkalten Kühlschrank, um zufällige thermische Vibrationen „einzufrieren“. Auf diesen Diamanten bauten sie winzige Metallfinger auf, sogenannte interdigitale Transducer, die wie Lautsprecher wirken und elektrische Signale in mechanische Wellen umwandeln. Wenn sie ein spezifisches Mikrowellensignal in diese Lautsprecher einspeisten, erzeugten sie einen kontinuierlichen Strom von Schallwellen, die über die Oberfläche des Diamanten wanderten. Diese Wellen passierten die Silizium-Vakanz nicht einfach nur; sie ließen das Kristallgitter in einem präzisen Rhythmus schwingen, der der Eigenfrequenz des Elektronenspins entsprach. Dieses ständige Schütteln erzeugte einen neuen, stabilen Zustand für das Elektron und schirmte es effektiv gegen das chaotische magnetische Rauschen der Umgebung ab.

Die Forscher fanden heraus, dass sie durch das Aktivhalten dieses mechanischen Feldes die Zeit, in der das Elektron seine Information hielt, im Vergleich zum Zustand ohne das Feld um mehr als das Dreifache verlängern konnten. Im ruhigen, ungeschützten Zustand hielt das Gedächtnis des Elektrons etwa 680 Nanosekunden durch, bevor es verblasste. Mit dem kontinuierlichen mechanischen Schutz verlängerte sich diese Zeit auf über 2 Mikrosekunden. Dieser Schutz funktionierte deshalb, weil das ständige Schütteln das Elektron weniger empfindlich gegenüber den langsamen, driftenden magnetischen Fluktuationen machte, die normalerweise Fehler verursachen. Entscheidend war, dass das Team zeigte, dass sie das Elektron mithilfe derselben mechanischen Wellen immer noch auslesen und beschreiben konnten. Sie verwendeten einen zweiten, schwächeren Schallimpuls, um den Zustand des Elektrons zu kippen, und einen Laser, um zu sehen, was geschah. Dies bewies, dass das Elektron gleichzeitig durch Schall geschützt und durch ihn gesteuert werden konnte – eine Kombination, die zuvor ein großes Hindernis für den Aufbau phonon-basierter Netzwerke darstellte.

Über den Schutz des Gedächtnisses hinaus entdeckte das Team, dass ihre Methode eine unglaublich schnelle Steuerung ermöglichte. Es gelang ihnen, das Elektron mit einer Rate von 800 Millionen Mal pro Sekunde hin und her schwingen zu lassen – eine Geschwindigkeit, die einen neuen Rekord für dieses System setzt. Dieses schnelle Schalten ist essenziell, um komplexe Berechnungen schnell durchzuführen, bevor die Information degradieren kann. Die Forscher erreichten diese Geschwindigkeit, weil ihr Aufbau elektrische Signale mit hoher Effizienz in mechanische Spannung umwandelte, was es ihnen ermöglichte, das Elektron viel stärker anzutreiben als bisherige Methoden, die auf Magnetfeldern basierten. Sie beobachteten auch, dass das Verhalten des Elektrons bei diesen extremen Geschwindigkeiten komplexer wurde und mehrere Frequenzen gleichzeitig zeigte, was darauf hindeutet, dass das System in ein neues physikalises Regime eintritt, in dem einfache Standardmodelle nicht mehr anwendbar sind.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Fähigkeit, zwei zuvor gegensätzliche Bedürfnisse zu vereinen: das Bedürfnis, ein Qubit von Rauschen zu isolieren, und das Bedürfnis, stark mit ihm zu interagieren. Indem sie Schallwellen nutzten, um ein schützendes Schild zu erzeugen, das gleichzeitig das Werkzeug zur Steuerung ist, haben die Forscher den Weg für hochpräzise Quantengatter geebnet, welche die grundlegenden Operationen sind, die ein Quantencomputer zur Funktion benötigt. Sie demonstrierten, dass die Information direkt mittels Licht initialisiert und ausgelesen werden konnte, ohne dass komplizierte zusätzliche Schritte zur Übertragung des Zustands nötig waren. Diese Einfachheit, kombiniert mit der Geschwindigkeit und der verlängerten Speicherzeit, legt nahe, dass Silizium-Vakanzen in Diamanten als stationäre Knotenpunkte für ein zukünftiges Quantennetzwerk dienen könnten, in dem Informationen durch Schall geroutet werden. Während die Forscher anmerkten, dass die durch die Schallwellen verursachte Erwärmung sorgfältig kontrolliert werden muss, um den Diamanten kalt genug zu halten, zeigten ihre Ergebnisse, dass dieser Kompromiss handhabbar ist und die Vorteile dieses rein mechanischen Ansatzes beträchtlich sind. Die Arbeit stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung robuster On-Chip-Quantennetzwerke dar, die eines Tages Quantencomputer mithilfe der Vibrationen der festen Welt miteinander verbinden könnten.