Многие современные квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электронных системах, в которых электроны движутся без сопротивления при экстремально низких температурах. Квантово-механическая природа электронов, движущихся через тщательно спроектированные резонаторы, создает сверхпроводниковые кубиты. Инженеры из Калифорнийского технологического института нашли способ увеличить время хранения квантовых состояний в сверхпроводниковых кубитах, создав так называемую «квантовую память» для сверхпроводящих кубитов.

«Имея квантовое состояние, вам, возможно, не захочется ничего с ним делать немедленно, — сказал Мохаммад Мирхоссейни, руководитель научной группы. — Вам нужна возможность вернуться к нему, когда вам захочется выполнить логическую операцию. Для этого и нужна квантовая память».

В предыдущих исследованиях группа Мирхоссейни уже продемонстрировала, что квазичастицы фононы, кванты колебательного движения атомов, могут стать удобным способом хранения квантовой информации. Созданные и протестированные учеными устройства прекрасно показали себя в работе со сверхпроводящими кубитами, хорошо вели себя при низких температурах, и сохраняли стабильность продолжительное время, пишет Phys.

Теперь группа Мирхоссейни создали сверхпроводниковый кубит на чипе и подключили его к миниатюрному устройству — механическому осциллятору. По сути, это камертон, состоящий из гибких пластин, которые вибрируют под действием звуковых волн на гигагерцовых частотах. Когда на эти пластины дают электрический заряд, они могут взаимодействовать с электрическими сигналами, несущими квантовую информацию. Это позволяет передавать информацию в устройство для хранения в качестве «памяти» и, впоследствии, передавать ее обратно, или «вспоминать».

Исследователи тщательно измерили время, необходимое осциллятору для потери квантового содержания после попадания информации в устройство. Как оказалось, их срок жизни примерно в 30 раз больше, чем у лучших из существующих сверхпроводящих кубитов.

Новый метод построения квантовой памяти обладает рядом преимуществ по сравнению с предыдущими. Звуковые волны распространяются значительно медленнее электромагнитных, что позволяет создавать гораздо более компактные устройства. Более того, механические колебания, в отличие от электромагнитных волн, не распространяются в свободном пространстве, а значит, энергия не покидает систему. Это позволяет увеличить время хранения данных и снизить нежелательный обмен энергией между соседними устройствами.

Все эти преимущества указывают на возможность размещения множества таких камертонов на одном чипе, что приведет к появлению потенциально масштабируемого способа создания квантовой памяти. Однако, чтобы эта платформа стала по-настоящему полезной для квантовых вычислений, необходимо иметь возможность гораздо быстрее загружать квантовые данные в систему и извлекать их. А это значит, что ученым придется найти способы увеличить скорость взаимодействия в 3–10 раз по сравнению с возможностями нашей текущей системы. К счастью, у группы Мирхоссейни есть идеи, как это можно сделать.

Ученые из Китая совершили первый успешный эксперимент по квантовой телепортации в диапазоне частот штатного телеком-оборудования для оптоволоконной связи с записью квантового состояния в твердотельную память. При этом срок хранения состояния в самой памяти был улучшен в 400 раз.