Kvantdatorer är som sandcaster vid flodvåg – men forskare har hittat ett sätt att skydda dem

Okay, jag erkänner: kvantdatorer får fortfarande min hjärna att svänga. Vi pratar om maskiner som utnyttjar fysikens absolut konstigaste egenskaper för att lösa problem som skulle ta vanliga datorer längre tid än universums ålder. Men här är grejen — kvantdatorer är extremt ömtåliga. Det är som att försöka bygga ett sandcastle mitt i högvatten, förutom att tidvattnet består av bakgrundsbrus och sandcaslen består av kvantinformation.

Så jag blev riktigt tagen när jag läste om ny forskning från Harvard. Forskare där har sysslat med något som kallas fononer — det är i princip små paket av mekanisk vibration, som supermikroskopiska ljudvågor — och de har hittat ett sätt att använda dessa små vibrationer för att faktiskt skydda kvantinformation. Hur coolt är inte det?

Problemet med kvantminne

Här är grejen med kvantdatorer: de använder qubits (kvantversionen av vanliga dators bitar) för att lagra och bearbeta information. Men qubits är notoriskt kräsna med sin omgivning. Vilken liten störning från omgivningen som helst — vibrationer, temperaturändringar, elektromagnetisk interferens — kan mixa ihop deras kvanttillstånd. Denna förmåga att behålla det sköra kvanttillståndet kallas "koherens", och det är det som plågar alla kvantdatorforskare.

Traditionellt har forskare använt mikrovågspulser för att skydda qubits från miljöbrus. Tänk dig det som att ständigt puffa på en bowlingkula balanserad på toppen av en kulle för att hindra den från att rulla ner. Det fungerar, men det är komplicerat och kräver precis timing.

Harvard-teamet, lett av forskarna Eliza Cornell och Zhujing Xu, stötte på ett problem: dessa konventionella skyddstekniker fungerar inte bra när qubits är fångade i speciella strukturer som kallas fononiska kaviteter — de strukturer man faktiskt vill använda om man vill använda ljudvågor för att transportera kvantinformation mellan olika delar av en chip.

In i "klädda" qubits

Här blir det intressant. Istället för att använda de konventionella mikrovågspulserna provade teamet en annan approach: de applicerade kontinuerligt ett mekaniskt drivfält gjort av — gissa vad — fononer. Detta klädde i praktiken qubiten i ett kontinuerligt akustiskt fält.

Jag älskar den här terminologin. Föreställ dig att din qubit ska på en fin tillställning och behövde låna något att ha på sig. Istället för en smoking eller aftonklänning fick den på sig en liten ljudvågs-smockning. Och det visar sig att den här ljudvågs-outfiten faktiskt gör qubiten mer motståndskraftig mot lågfrekvent brus från omgivningen.

Den tekniska termen är en "klädd qubit", och effekten är ganska anmärkningsvärd. Forskarna upptäckte att detta kontinuerliga mekaniska skydd förlängde koherenstiden för deras qubit med ungefär tre gånger. Det är en betydande förbättring, speciellt när man sysslar med något så lynnigt som kvantinformation.

Varför det här spelar roll

Här är vad som verkligen får mig exalterad över den här forskningen: fononer kan tjäna dubbelt syfte. De kan både transportera kvantinformation mellan olika delar av ett kvantnätverk och hjälpa till att skydda den informationen från att bli korrupt. Det är som en budfirma som också fungerar som pansarbil.

Jämfört med att använda ljus (vilket är det vanligare tillvägagångssättet för att flytta kvantinformation) har fononer några tydliga fördelar. De har mycket kortare våglängder, vilket betyder att man kan bygga mindre komponenter och packa dem tätare på en chip. Dessutom interagerar fononer lätt med både fasta tillståndssystem och elektromagnetiska fält, vilket gör dem idealiska för hybrida kvantsystem som kombinerar olika typer av qubits.

Den större bilden

Den här forskningen antyder att mikroskopiska ljudvågor kan bli ett viktigt verktyg i kvantdatorns verktygslåda. Vi pratar inte om kvantdatorer på ditt skrivbord nästa år, men vi gör verklig framsteg på de grundläggande utmaningarna.

Harvard-teamets arbete visar att kontinuerligt mekaniskt skydd kan fungera i riktiga enheter, inte bara i teorin. Det är ett viktigt steg framåt. Som Eliza Cornell uttryckte det: de försökte lösa två problem samtidigt — stark växelverkan med fononer och långa koherentstider — och de har demonstrerat en metod som uppnår bådadera.

Kvantdatorer har varit "fem år bort" ett tag nu, och jag drar mig för att lova när vi kommer att se praktiska kvantdatorer. Men varje genombrott som detta för oss närmare den dag då kvantmaskiner kanske kan hjälpa oss upptäcka nya mediciner, knäcka kryptering, simulera komplexa molekyler och lösa problem vi inte ens kan föreställa oss ännu.

För tillfället uppskattar jag bara elegansen i att använda ljudvågor för att skydda kvantinformation. Det finns något nästan poetiskt över det — idén att samma små vibrationer som tillåter ljud att färdas genom luften kanske en dag kan hjälpa till att säkra de mest avancerade datorerna som någonsin byggts.