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

En la búsqueda de la construcción de una internet cuántica, los científicos están buscando una forma de mover información delicada entre pequeñas computadoras estacionarias sin perderla en el camino. Estas computadoras, conocidas como cúbits, a menudo dependen del espín de un electrón—una propiedad que actúa como una diminuta aguja de brújula interna—para almacenar datos. El desafío es que estas agujas son increíblemente sensibles; la más mínima vibración o susurro magnético del entorno puede desordenar la información, haciendo que la computadora olvide lo que estaba haciendo. Para resolver esto, los investigadores han recurrido durante mucho tiempo a la luz, o fotones, para transportar mensajes entre nodos. Sin embargo, la luz ocupa mucho espacio y puede interferir consigo misma fácilmente. Una alternativa más compacta es el fonón, una partícula de sonido o vibración que viaja a través de materiales sólidos. Debido a que las ondas de sonido son mucho más pequeñas que las ondas de luz e interactúan fuertemente con los materiales a través de los cuales viajan, ofrecen un camino prometedor para construir redes densas y eficientes en un solo chip. Pero para usar el sonido como mensajero, los científicos primero tuvieron que demostrar que podían proteger al cúbit estacionario del ruido mientras simultáneamente usaban el sonido para controlarlo, una tarea que parecía casi imposible porque los métodos utilizados para blindar al cúbit a menudo chocaban con los métodos utilizados para hablar con él.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Chicago ha demostrado ahora una forma de lograr este delicado equilibrio utilizando un tipo específico de defecto en un cristal de diamante llamado vacante de silicio. En su experimento, colocaron un único chip de diamante dentro de un refrigerador superfrío para congelar las vibraciones térmicas aleatorias. Encima de este diamante, construyeron diminutos dedos metálicos, conocidos como transductores interdigitales, que actúan como altavoces que convierten señales eléctricas en ondas mecánicas. Cuando enviaron una señal de microondas específica a estos altavoces, generaron un flujo continuo de ondas sonoras que viajaron a través de la superficie del diamante. Estas ondas no solo pasaron junto a la vacante de silicio; sacudieron la red cristalina en un ritmo preciso que coincidía con la frecuencia natural del espín del electrón. Esta sacudida constante creó un nuevo estado estable para el electrón, blindándolo eficazmente del ruido magnético caótico del entorno circundante.

Los investigadores descubrieron que, al mantener este campo mecánico activo, podían extender el tiempo que el electrón retenía su información en más de tres veces en comparación con cuando el campo estaba apagado. En el estado silencioso y sin blindaje, la memoria del electrón duraba unos 680 nanosegundos antes de desvanecerse. Con la protección mecánica continua, ese tiempo se extendió a más de 2 microsegundos. Esta protección funcionó porque la sacudida constante hizo que el electrón fuera menos sensible a las fluctuaciones magnéticas lentas y errantes que usualmente causan errores. Crucialmente, el equipo demostró que aún podían leer y escribir información en este electrón protegido utilizando las mismas ondas sonoras. Utilizaron un segundo pulso de sonido, más débil, para invertir el estado del electrón y un láser para ver qué sucedía. Esto demostró que el electrón podía ser tanto blindado contra el ruido como controlado por el sonido al mismo tiempo, una combinación que anteriormente había sido un obstáculo importante para la construcción de redes basadas en fonones.

Más allá de solo proteger la memoria, el equipo descubrió que su método permitía un control increíblemente rápido. Fueron capaces de hacer que el espín del electrón oscilara hacia adelante y hacia atrás a una tasa de 800 millones de veces por segundo, una velocidad que establece un nuevo récord para este tipo de sistema. Este cambio rápido es esencial para realizar cálculos complejos rápidamente antes de que la información tenga la oportunidad de degradarse. Los investigadores lograron esta velocidad porque su configuración convirtió las señales eléctricas en deformación mecánica con alta eficiencia, permitiéndoles impulsar el electrón con mucha más fuerza que los métodos anteriores que dependían de campos magnéticos. También observaron que, a estas velocidades extremas, el comportamiento del electrón se volvía más complejo, mostrando múltiples frecuencias a la vez, lo que sugiere que el sistema está entrando en un nuevo régimen de la física donde los modelos simples estándar ya no se aplican.

La importancia de este trabajo radica en su capacidad para unificar dos necesidades previamente conflictivas: la necesidad de aislar un cúbit del ruido y la necesidad de interactuar con él fuertemente. Al usar ondas sonoras para crear un escudo protector que también es la herramienta de control, los investigadores han despejado el camino hacia puertas cuánticas de alta fidelidad, que son las operaciones básicas requeridas para que un computador cuántico funcione. Demostraron que la información podía inicializarse y leerse directamente mediante la luz, sin necesidad de pasos adicionales complicados para transferir el estado. Esta simplicidad, combinada con la velocidad y el tiempo de memoria extendido, sugiere que las vacantes de silicio en diamante podrían servir como los nodos estacionarios para una futura red cuántica donde la información sea dirigida por el sonido. Aunque los investigadores señalaron que el calentamiento de las ondas sonoras debe gestionarse cuidadosamente para mantener el diamante lo suficientemente frío, sus resultados muestran que el compromiso es manejable y que los beneficios de este enfoque totalmente mecánico son sustanciales. El trabajo representa un paso crucial hacia redes cuánticas robustas y en chip que podrían un día vincular computadores cuánticos utilizando las vibraciones del mundo sólido mismo.