Команда соединила резонатор из ниобата лития со сверхпроводящим кубитом и сотни раз в миллисекунду проверяла энергетическое состояние фонона.
Разработанный метод может обеспечить обнаружение ошибок в квантовых компьютерах в режиме реального времени, а также сверхчувствительную идентификацию белков — в сотрудничестве с Калтехом.
Подробнее
Группа физиков Стэнфорда зафиксировала первое прямое наблюдение квантового скачка в звуке: учёным удалось запечатлеть момент, когда одиночная единица колебания — фонон — перешла с одного энергетического уровня на другой внутри кристаллического стержня размером с чип. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, завершают линию научного поиска, уходящую корнями более чем на столетие назад, и открывают новые возможности для квантовых вычислений и сенсорных технологий.
Предсказание столетней давности наконец подтверждено звуком
Квантовые скачки — внезапные дискретные переходы между энергетическими состояниями — были впервые теоретически предсказаны в начале 1900-х годов.
В 1986 году учёные продемонстрировали их в ловушках для ионов, в 2007 году — в фотонах, однако со звуком это долго не удавалось. Команда Стэнфорда под руководством адъюнкт-профессора прикладной физики Амира Сафави-Наини создала миниатюрный механический резонатор из кристалла ниобата лития в паре со сверхпроводящим кубитом, способным проверять энергетическое состояние фонона сотни раз за двухмиллисекундное окно.
«Результаты этого исследования позволят нам продвинуться вперёд в разработке новых квантовых технологий, основанных на звуке», — сказал Сафави-Наини. «Мы убедились, что вибрирующие объекты способны проявлять квантовое поведение, являющееся необходимым условием для многих операций, требуемых в квантовых вычислениях и квантовой сенсорике».
Резонатор вибрирует около 2,1 миллисекунды — достаточно долго, чтобы, по замечанию команды, камертон обычного размера с аналогичными характеристиками звенел бы часами. Соавторы работы Такума Макихара и Эрик Шакьель разработали метод изготовления, при котором кристаллическая пластина располагается всего в 75 нанометрах над сверхпроводящей схемой — достаточно близко, чтобы считывать состояние фонона, не разрушая его. «Нам приходилось постоянно разрабатывать новые процессы, чтобы создать этот чрезвычайно долгоживущий вибрирующий объект, а затем интегрировать его с кубитом — нашим маленьким электрическим детектором, — не повредив ни одну из подсистем», — рассказал Макихара.
От наблюдения к исправлению ошибок
Практическая значимость этого открытия очевидна уже сейчас. Во многих архитектурах квантовых вычислений квантовый скачок представляет собой ошибку — информацию, которая утекает в процессе вычислений. Обнаружение таких ошибок в момент их возникновения долгое время оставалось серьёзным препятствием для всей отрасли. Устройство, созданное в Стэнфорде, не только фиксирует потерю, но и сохраняет оставшееся квантовое состояние нетронутым — это обязательное условие для исправления ошибок в режиме реального времени.
Команда уже применяет эту платформу за пределами квантовых вычислений. В сотрудничестве с группой физика Майкла Рукса из Калтеха исследователи используют резонатор для обнаружения и идентификации белков внутри клеток. «Это показывает, что мы можем управлять звуком с невероятной точностью, а значит, устройства, в основе которых лежит звук, могут стать значительно лучше», — сказал Шакиэл.
В дальнейшем лаборатория планирует создать устройство с двумя резонаторными стержнями на общем кубите, где потеря фонона из любого стержня будет регистрироваться как явная ошибка, а не скрытое искажение, — шаг, который приближает архитектуру к требованиям квантовой коррекции ошибок.
***
Особенно впечатляет, что речь идёт не просто о регистрации звука, а о наблюдении одного кванта вибрации — фонона — и его перехода между дискретными энергетическими состояниями.
Ключевой момент: сверхпроводящий кубит многократно измерял состояние механического резонатора, не разрушая оставшееся квантовое состояние. Именно такая возможность нужна для обнаружения ошибок в квантовых вычислениях и последующей коррекции. По сути, исследователи сделали со звуком то, что уже удавалось делать с отдельными фотонами и захваченными ионами, — подтвердили, что макроскопически выглядящая механическая система тоже подчиняется квантовым законам.
Комментариев нет:
Отправить комментарий