Hybrydowy chip kwantowy zbudowany przez naukowców z ETH Zurich

Stany kwantowe nie muszą być niszczone w komputerach kwantowych. Wystarczy prosty trik

Stany kwantowe wcale nie muszą być niszczone, podczas wykonywania pomiarów układów. Nowe badania mogą być prawdziwą trampoliną dla rozwoju komputerów kwantowych.

Mówiąc o układach kwantowych, na myśl przychodzą fotony, jony i atomy lub elektrony rozprzestrzeniające się w krysztale. Bardziej egzotyczne są prawdziwe mechanicznie układy kwantowe, czyli masywne obiekty, w których ruch mechaniczny (np. drgania) jest skwantowany.

W eksperymentach obserwowano już najważniejsze cechy kwantowe, w tym porcjowanie energii i stany splątane. To jednak pierwszy krok, a znacznie bardziej złożone jest wykorzystanie tych właściwości w urządzeniach. Grupa prof. Yiwen Chu z Laboratorium Fizyki Ciała Stałego ETH Zurich dokonała znaczącego postępu w tym kierunku. W czasopiśmie Nature Physics opisano ekstrakcję informacji z mechanicznego układu kwantowego bez niszczenia cennego stanu kwantowego.

Fizycy z ETH użyli płyty z wysokiej jakości szafiru o grubości mniejszej niż 0,5 mm. Na jej wierzchu znajduje się cienki przetwornik piezoelektryczny, który może wzbudzać fale akustyczne, odbijane od spodu, w ten sposób rozchodząc się w ściśle określonej objętości wewnątrz płyty. Te wzbudzenia są zbiorowym ruchem dużej liczby atomów, ale są skwantowane i mogą być poddane operacjom kwantowym w bardzo podobny sposób, jak stany kwantowe atomów, fotonów i elektronów. Co ciekawe, możliwe jest połączenie rezonatora mechanicznego z innymi układami kwantowymi, a w szczególności z kubitami nadprzewodnikowymi. Są to maleńkie układy elektroniczne, w których elektromagnetyczne stany energetyczne są skwantowane i stanowią jedną z wiodących platform do budowy skalowalnych komputerów kwantowych.

Czytaj też: Nowy nadprzewodnik przyspieszy komputery kwantowe 400 razy. Jego twórca przewiduje wiek nadprzewodników

W takich hybrydowych urządzeniach kubit-rezonator można połączyć to, co najlepsze z dwóch światów. Wysoko rozwinięte możliwości obliczeniowe kubitów nadprzewodnikowych mogą być wykorzystane w synchronizacji z wytrzymałością i długim czasem życia trybów akustycznych, które mogą służyć jako pamięci kwantowe lub przetworniki. Do takich zastosowań nie wystarczy jednak samo sprzężenie stanów kubitów i rezonatorów. Bezpośredni pomiar stanu kwantowego w rezonatorze niszczy go, uniemożliwiając powtórzenie pomiarów. Zamiast tego potrzebna jest możliwość pozyskiwania informacji o mechanicznym stanie kwantowym w bardziej delikatny, dobrze kontrolowany sposób.

Fizycy z ETH Zurich zademonstrowali protokół tworzenia tzw. kwantowych pomiarów nieniszczących. W ich eksperymentach podczas pomiarów nie dochodziło do bezpośredniej wymiany energii między nadprzewodzącym kubitem a rezonatorem akustycznym. Zamiast tego właściwości kubitu zależały od liczby fononów w rezonatorze akustycznym, bez potrzeby bezpośredniego „dotykania” mechanicznego stanu kwantowego.

Zanim możliwe będzie wprowadzenie takich protokołów korekcji błędów, konieczne jest dalsze udoskonalenie systemu hybrydowego, w szczególności w celu poprawy wierności operacji. To jednak nie wszystko – w literaturze naukowej można znaleźć wiele ciekawych propozycji teoretycznych dotyczących protokołów informacji kwantowej oraz badań podstawowych, które korzystają z faktu, że akustyczne stany kwantowe znajdują się w masywnych obiektach.