Когато звукът пази квантовите тайни

Признавам си — квантовите компютри все още ме учудват. Става дума за машини, които използват най-странните свойства на физиката, за да решават задачи, за чието решаване обикновените компютри биха имали нужда от повече време, отколкото съществува Вселената. Но ето къде е уловката — тези машини са изключително крехки. Представи си, че строиш пясъчна крепост по време на прилив, но вместо вода приливът е от фонови шумове, а крепостта е направена от квантова информация.

Затова се зарадвах много, когато попаднах на ново проучване от Харвард. Учените там са експериментирали с нещо, наречено фонони — всъщност миниатюрни пакетчета механични вибрации, подобни на свръхмалки звукови вълни — и са открили начин да ги използват, за да защитават квантовата информация. Колко яко е това?

Проблемът с квантовата памет

Ето как стоят нещата при квантовите компютри: те използват кубити (квантовата версия на обикновените компютърни битове), за да съхраняват и обработват информация. Но кубитите са претенциозни към обкръжението си. Всяко малко смущение — вибрации, промени в температурата, електромагнитни смущения — може да разбърка тяхното квантово състояние. Това свойство да поддържа деликатното квантово състояние се нарича "кохерентност", и то е главоболие за всички изследователи в тази област.

Обикновено учените използват микровълнови импулси, за да пазят кубитите от тези смущения. Представи си, че непрекъснато буткаш топка за боулинг, балансирана на върха на хълм, за да не се търкулне надолу. Работи, но е сложно и изисква прецизно време.

Екипът от Харвард, ръководен от изследователите Елиза Корнел и Джуджин Сю, се натъкна на проблем: тези традиционни техники не работят добре, когато кубитите са затворени в специални структури, наречени фононни кухини — точно тези структури, които бихме искали да използваме, ако искаме звукови вълни да пренасят квантова информация между различни части на чипа.

На сцената влиза "облеченият" кубит

Тук става интересно. Вместо традиционните микровълнови импулси, екипът опитал друг подход: непрекъснато прилагали механично поле, направено от — вярваш или не — фонони. Това по същество "облякло" кубита в непрекъснато акустично поле.

Обожавам тази терминология. Представи си, че кубитът ти отива на официално събитие и има нужда да си вземе нещо за обличане. Вместо смокинг или вечерна рокля, му ушили миниатюрен костюм от звукови вълни. И изглежда, че тази звукова дреха всъщност прави кубита по-устойчив на нискочестотния шум от околната среда.

Техническият термин е "облечен кубит", а ефектът е доста забележителен. Изследователите установили, че тази непрекъсната механична защита удължила времето на кохерентност на кубита им с около три пъти. Това е съществено подобрение, особено когато работиш с нещо толкова капризно като квантовата информация.

Защо е важно

Ето какво ме вълнува най-много в това проучване: фононите могат да служат за две неща. Те могат едновременно да пренасят квантова информация между различни части на квантовата мрежа и да помагат за защитата на тази информация от повреда. Това е като куриерска служба, която едновременно е и бронирана кола.

В сравнение със светлината (която е по-разпространеният подход за пренасяне на квантова информация), фононите имат някои ясни предимства. Те имат много по-къси дължини на вълните, което означава, че можем да строим по-малки компоненти и да ги подреждаме по-гъсто на чипа. Освен това фононите взаимодействат лесно както със системи в твърдо състояние, така и с електромагнитни полета, което ги прави идеални за хибридни квантови системи, съчетаващи различни видове кубити.

По-голямата картина

Това проучване показва, че микроскопичните звукови вълни могат да станат важен инструмент в арсенала на квантовите изчисления. Не говорим за квантови компютри на бюрото ти следващата година, но правим реални крачки в решаването на основните предизвикателства.

Работата на екипа от Харвард показва, че непрекъснатата механична защита може да работи в реални устройства, а не само на хартия. Това е важна стъпка напред. Както Елиза Корнел казала, те се опитвали да решат две задачи едновременно — силно взаимодействие с фонони и дълги времена на кохерентност — и са демонстрирали метод, който постига и двете.

Квантовите компютри са "на пет години разстояние" от известно време, и се колебая да давам обещания кога ще видим практически квантови компютри. Но всяко такова откритие ни доближава до деня, когато квантовите машини може да ни помогнат да откриваме нови лекарства, да разбиваме криптография, да симулираме сложни молекули и да решаваме проблеми, за които дори не можем да си представим.

Засега ще се радвам просто на елегантността на използването на звукови вълни за защита на квантова информация. Има нещо почти поетично в това — идеята, че същите миниатюрни вибрации, които позволяват на звука да пътува през въздуха, може един ден да помогнат за сигурността на най-напредналите компютри, строени някога.