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

在构建量子互联网的探索过程中，科学家们正在寻找一种方法，能够在微小的、静态的计算机之间移动脆弱的信息，而不至于在传输过程中丢失信息。这些被称为量子比特（qubits）的计算机通常依赖电子的自旋——这一属性就像一个微小的内部指南针——来存储数据。挑战在于，这些“指针”极其敏感；环境中的轻微振动或磁性低语都会扰乱信息，导致计算机“忘记”它正在进行的操作。为了解决这个问题，研究人员长期以来一直寻求利用光（即光子）在节点之间传递信息。然而，光占据的空间较大，且容易发生自我干扰。一种更紧凑的替代方案是声子（phonon），即在固体材料中传播的声波或振动粒子。由于声波比光波小得多，且与它们所经过的材料相互作用强烈，它们为在单个芯片上构建高密度、高效的网络提供了一条充满希望的路径。但是，要将声音作为信使，科学家首先必须证明他们既能保护静态量子比特免受噪声干扰，又能同时利用声音来控制它，而这在过去似乎几乎是不可能的任务，因为用于屏蔽量子比特的方法往往与用于与其通信的方法相冲突。

哈佛大学和芝加哥大学的一个研究小组现在展示了一种利用钻石晶体中一种特定缺陷——硅空位（silicon vacancy）来实现这种微妙平衡的方法。在实验中，他们将一片单层钻石芯片放入超低温冰箱内，以冻结随机的热振动。在这片钻石之上，他们建造了微小的金属“手指”，即叉指换能器（interdigital transducers），它们充当扬声器，将电信号转换为机械波。当他们向这些扬声器发送特定的微波信号时，会产生一股连续不断的声波，在钻石表面传播。这些波不仅仅是经过硅空位，它们还以一种精确的节奏摇动晶格，这种节奏与电子自旋的自然频率相匹配。这种持续的摇动为电子创造了一个新的、稳定的状态，有效地屏蔽了周围环境混乱的磁噪声。

研究人员发现，通过保持这种机械场处于激活状态，他们可以将电子保持信息的时间延长到比关闭该场时长三倍以上。在安静、未受保护的状态下，电子的记忆在大约 680 纳秒后就会消退。而在持续的机械保护下，这一时间延长到了超过 2 微秒。这种保护之所以奏效，是因为持续的摇动使电子对通常会导致错误的缓慢、漂移的磁波动变得不再敏感。至关重要的是，团队展示了他们仍可以使用相同的机械波来读取和写入该受保护电子的信息。他们使用第二个较弱的声脉冲来翻转电子的状态，并利用激光来观察结果。这证明了该电子可以同时受到声音的屏蔽和控制，而这种结合在以前是构建基于声子网络的主要障碍。

除了保护记忆之外，团队还发现他们的方法实现了极快的控制。他们能够让电子自旋以每秒 8 亿次的速率进行往复运动，这一速度创下了此类系统的纪录。这种快速切换对于在信息降解之前快速执行复杂计算至关重要。研究人员之所以能达到这种速度，是因为他们的装置能高效地将电信号转化为机械应变，从而能够比以往依赖磁场的驱动方法更强力地驱动电子。他们还观察到，在这些极高的速度下，电子的行为变得更加复杂，表现出多种频率同时存在的现象，这表明系统正在进入一个新的物理领域，即标准的简单模型不再适用的阶段。

这项工作的意义在于它能够统一两个此前相互冲突的需求：既需要将量子比特与噪声隔离，又需要与其进行强烈的相互作用。通过使用声波来创造一个既作为保护罩又作为控制工具的屏蔽层，研究人员为实现高保真量子门扫清了道路，而量子门是量子计算机运行所需的基本操作。他们证明了信息可以直接通过光进行初始化和读取，而无需复杂的额外步骤来转移状态。这种简洁性，结合其速度和延长的记忆时间，表明硅空位可以在未来的量子网络中作为静态节点，而信息则通过声音进行路由。尽管研究人员指出，必须仔细管理声波产生的热量以保持钻石的低温，但他们的结果显示，这种权衡是可控的，且这种全机械方法的益处是巨大的。这项工作代表了向稳健的、片上量子网络迈出的关键一步，这些网络有朝一日可能会通过固体世界的振动将量子计算机连接在一起。