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

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantuminternet zoeken wetenschappers naar een manier om delicate informatie tussen kleine, stationaire computers te verplaatsen zonder deze onderweg te verliezen. Deze computers, bekend als qubits, vertrouwen vaak op de spin van een elektron — een eigenschap die werkt als een klein, intern kompasnaaldje — om gegevens op te slaan. De uitdaging is dat deze naaldjes ongelooflijk gevoelig zijn; de kleinste trilling of magnetische fluistering uit de omgeving kan de informatie verstoren, waardoor de computer vergeet wat hij aan het doen was. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers lang gekeken naar licht, of fotonen, om berichten tussen knooppunten te dragen. Echter, licht neemt veel ruimte in beslag en kan gemakkelijk met zichzelf interfereren. Een compacter alternatief is het fonon, een deeltje van geluid of trilling dat door vaste materialen reist. Omdat geluidsgolven veel kleiner zijn dan lichtgolven en sterk interageren met de materialen waar ze doorheen reizen, bieden ze een veelbelovend pad voor het bouwen van dichte, efficiënte netwerken op een enkele chip. Maar om geluid als boodschapper te kunnen gebruiken, moesten wetenschappers eerst bewijzen dat ze de stationaire qubit konden beschermen tegen ruis terwijl ze geluid tegelijkertijd gebruikten om deze te besturen, een taak die bijna onmogelijk leek omdat de methoden die gebruikt worden om de qubit af te schermen vaak botsten met de methoden die gebruikt worden om ermee te communiceren.

Een team onderzoekers van de Harvard University en de University of Chicago heeft nu een manier gedemonstreerd om dit delicate evenwicht te bereiken met behulp van een specifiek type defect in een diamantkristal, een silicon vacancy (siliciumvacature). In hun experiment plaatsten ze een enkele diamantchip in een superkoude koelkast om willekeurige thermische trillingen te bevriezen. Bovenop deze diamant bouwden ze minuscule metalen vingers, bekend als interdigitale transducers, die fungeren als luidsprekers die elektrische signalen omzetten in mechanische golven. Wanneer ze een specifiek microgolfsignaal in deze luidsprekers stuurden, genereerden ze een continue stroom van geluidsgolven die over het oppervlak van de diamant reisden. Deze golven liepen niet alleen langs de silicon vacancy voorbij; ze brachten het kristalrooster in een precieze ritme dat overeenkwam met de natuurlijke frequentie van de elektronenspin. Dit constante schudden creëerde een nieuwe, stabiele staat voor het elektron, waardoor het effectief werd afgeschermd van de chaotische magnetische ruis van de omgeving.

De onderzoekers ontdekten dat door dit mechanische veld actief te houden, zij de tijd dat het elektron zijn informatie vasthield met meer dan drie keer konden verlengen vergeleken met wanneer het veld uit stond. In de stille, onbeschermde staat hield het geheugen van het elektron ongeveer 680 nanoseconden stand voordat het vervaagde. Met de continue mechanische bescherming strekte die tijd zich uit tot meer dan 2 microseconden. Deze bescherming werkte omdat het constante schudden het elektron minder gevoelig maakte voor de langzame, drijvende magnetische fluctuaties die normaal gesproken fouten veroorzaken. Cruciaal was dat het team liet zien dat ze nog steeds informatie konden lezen en schrijven naar dit beschermde elektron met behulp van dezelfde mechanische golven. Ze gebruikten een tweede, zwakkere geluidspuls om de staat van het elektron te flippen en een laser om te zien wat er gebeurde. Dit bewees dat het elektron zowel beschermd kon worden tegen ruis als gecontroleerd kon worden door geluid tegelijkertijd, een combinatie die eerder een grote hindernis vormde voor het bouwen van fonon-gebaseerde netwerken.

Naast het beschermen van het geheugen, ontdekten het team dat hun methode toestond om met ongelooflijk hoge snelheid controle uit te oefenen. Ze waren in staat om het elektron 800 miljoen keer per seconde heen en weer te laten bewegen, een snelheid die een nieuw record vestigt voor dit type systeem. Deze snelle schakeling is essentieel voor het snel uitvoeren van complexe berekeningen voordat de informatie de kans krijgt om te degraderen. De onderzoekers bereikten deze snelheid omdat hun opstelling elektrische signalen met hoge efficiëntie omzette in mechanische spanning, waardoor ze het elektron veel harder konden aansturen dan eerdere methoden die vertrouwden op magnetische velden. Ze observeerden ook dat bij deze extreme snelheden het gedrag van het elektron complexer werd en meerdere frequenties tegelijk vertoonde, wat suggereert dat het systeem een nieuw regime van de fysica betreedt waarin standaard eenvoudige modellen niet langer van toepassing zijn.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om twee voorheen conflicterende behoeften te verenigen: de behoefte om een qubit te isoleren van ruis en de behoefte om er sterk mee te interageren. Door geluidsgolven te gebruiken om een beschermend schild te creëren dat ook het instrument voor controle is, hebben de onderzoekers een pad vrijgemaakt naar hoogwaardige kwantumpoorten (quantum gates), die de basisoperaties zijn die nodig zijn voor een kwantumcomputer om te functioneren. Ze demonstreerden dat de informatie direct met licht geïnitialiseerd en uitgelezen kon worden, zonder dat er ingewikkelde extra stappen nodig waren om de staat over te dragen. Deze eenvoud, gecombineerd met de snelheid en de verlengde geheugentijd, suggereert dat silicon vacancies in diamant als de stationaire knooppunten kunnen dienen voor een toekomstig kwantumnetwerk waar informatie door geluid wordt gerouteerd. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat de warmteontwikkeling van de geluidsgolven zorgvuldig beheerd moet worden om de diamant koud genoeg te houden, laten hun resultaten zien dat de afweging beheersbaar is en dat de voordelen van deze volledig mechanische aanpak aanzienlijk zijn. Het werk vertegenwoordigt een cruciale stap naar robuuste, on-chip kwantumnetwerken die de dag kunnen komen waarop kwantumcomputers aan elkaar verbonden worden door de trillingen van de vaste wereld zelf.