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

Nella ricerca di un modo per costruire un internet quantistico, gli scienziati stanno cercando un modo per spostare informazioni delicate tra piccoli computer stazionari senza perderle lungo il percorso. Questi computer, noti come qubit, si affidano spesso allo spin di un elettrone — una proprietà che agisce come l'ago di una minuscola bussola interna — per memorizzare i dati. La sfida è che questi aghi sono incredibilmente sensibili; la minima vibrazione o il minimo sussurro magnetico dell'ambiente possono sconvolgere l'informazione, causando l'oblio del computer su ciò che stava facendo. Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono da tempo rivolti alla luce, o fotoni, per trasportare messaggi tra i nodi. Tuttavia, la luce occupa molto spazio e può interferire facilmente con se stessa. Un'alternativa più compatta è il fonone, una particella di suono o vibrazione che viaggia attraverso i materiali solidi. Poiché le onde sonore sono molto più piccole delle onde luminose e interagiscono fortemente con i materiali attraverso cui viaggiano, esse offrono una strada promettente per la costruzione di reti dense ed efficienti su un singolo chip. Ma per usare il suono come messaggero, gli scienziati hanno prima dovuto dimostrare di poter proteggere il qubit stazionario dal rumore pur utilizzando contemporaneamente il suono per controllarlo, un compito che sembrava quasi impossibile perché i metodi usati per schermare il qubit spesso entravano in conflitto con i metodi usati per comunicare con esso.

Un team di ricercatori dell'Università di Harvard e dell'Università di Chicago ha ora dimostrato un modo per raggiungere questo delicato equilibrio utilizzando un tipo specifico di difetto in un cristallo di diamante chiamato vacanza di silicio. Nel loro esperimento, hanno posizionato un singolo chip di diamante all'interno di un frigorifero super-freddo per congelare le casuali vibrazioni termiche. Sopra questo diamante, hanno costruito minuscole dita metalliche, note come trasduttori interdigitali, che agiscono come altoparlanti che convertono i segnali elettrici in onde meccaniche. Quando hanno inviato un segnale a microonde specifico in questi altoparlanti, hanno generato un flusso continuo di onde sonore che viaggiavano sulla superficie del diamante. Queste onde non si sono limitate a passare accanto alla vacanza di silicio; hanno scosso il reticolo cristallino con un ritmo preciso che corrispondeva alla frequenza naturale dello spin dell'elettrone. Questa continua scossa ha creato un nuovo stato stabile per l'elettrone, schermandolo efficacemente dal caos del rumore magnetico dell'ambiente circostante.

I ricercatori hanno scoperto che mantenendo attivo questo campo meccanico, potevano estendere il tempo in cui l'elettrone conservava la sua informazione di oltre tre volte rispetto a quando il campo era spento. Nello stato tranquillo e non schermato, la memoria dell'elettrone durava circa 680 nanosecondi prima di svanire. Con la protezione meccanica continua, quel tempo si è esteso a oltre 2 microsecondi. Questa protezione ha funzionato perché la costante scossa rendeva l'elettrone meno sensibile alle fluttuazioni magnetiche lente e vaganti che di solito causano errori. Fondamentalmente, il team ha dimostrato di poter ancora leggere e scrivere informazioni su questo elettrone protetto usando le stesse onde meccaniche. Hanno utilizzato un secondo impulso sonoro più debole per invertire lo stato dell'elettrone e un laser per vedere cosa accadeva. Ciò ha dimostrato che l'elettrone poteva essere sia schermato dal rumore che controllato dal suono contemporaneamente, una combinazione che era stata precedentemente un grande ostacolo per la costruzione di reti basate sui fononi.

Oltre a proteggere la memoria, il team ha scoperto che il loro metodo permetteva un controllo incredibilmente veloce. Sono stati in grado di far oscillare l'elettrone avanti e indietro a una velocità di 800 milioni di volte al secondo, una velocità che stabilisce un nuovo record per questo tipo di sistema. Questa commutazione rapida è essenziale per eseguire calcoli complessi velocemente, prima che l'informazione abbia la possibilità di degradarsi. I ricercatori hanno raggiunto questa velocità perché la loro configurazione convertiva i segnali elettrici in deformazione meccanica con alta efficienza, permettendo loro di pilotare l'elettrone molto più intensamente rispetto ai metodi precedenti che si affidavano ai campi magnetici. Hanno anche osservato che a queste velocità estreme, il comportamento dell'elettrone diventava più complesso, mostrando più frequenze contemporaneamente, il che suggerisce che il sistema stia entrando in un nuovo regime della fisica in cui i modelli semplici standard non si applicano più.

La significatività di questo lavoro risiede nella sua capacità di unificare due necessità precedentemente in conflitto: la necessità di isolare un qubit dal rumore e la necessità di interagire con esso fortemente. Usando le onde sonore per creare uno scudo protettivo che è anche lo strumento di controllo, i ricercatori hanno spianato la strada verso porte quantistiche ad alta fedeltà, che sono le operazioni di base necessarie affinché un computer quantistico possa funzionare. Hanno dimostrato che l'informazione poteva essere inizializzata e letta direttamente tramite la luce, senza la necessità di complicati passaggi extra per trasferire lo stato. Questa semplicità, unita alla velocità e al tempo di memoria esteso, suggerisce che le vacanze di silicio nel diamante potrebbero servire come nodi stazionari per una futura rete quantistica dove l'informazione è instradata dal suono. Sebbene i ricercatori abbiano notato che il calore generato dalle onde sonore deve essere gestito con cura per mantenere il diamante abbastanza freddo, i loro risultati mostrano che il compromesso è gestibile e che i benefici di questo approccio interamente meccanico sono sostanziali. Il lavoro rappresenta un passo cruciale verso reti quantistiche su chip robuste che potrebbero un giorno collegare i computer quantistici tra loro utilizzando le vibrazioni del mondo solido stesso.