Παράξενες δονήσεις έτοιμες να ελέγξουν τους κβαντικούς υπολογιστές
ΛΟΣ ΑΝΤΖΕΛΕΣ, ΚΑΛΙΦΟΡΝΙΑ— Προς το παρόν, τα φωτόνια μικροκυμάτων είναι τα κλειδιά για πολλούς κβαντικούς υπολογιστές:Οι φυσικοί τα χρησιμοποιούν για να προγραμματίσουν, να διαβάσουν και να χειριστούν διαφορετικά τα κβαντικά bit των μηχανών. Αλλά η τεχνολογία μικροκυμάτων είναι ογκώδης και οι κβαντικές καταστάσεις της δεν διαρκούν πολύ. Τώρα, πολλές ομάδες εξερευνούν έναν νέο τρόπο για να μιλήσουν σε έναν κβαντικό υπολογιστή:με μικροσκοπικές δονήσεις, συνήθως φορείς ενοχλητικής θερμότητας και θορύβου.
Η εκκολαπτόμενη πειθαρχία της κβαντικής ακουστικής θα μπορούσε να ταρακουνήσει τους εμβρυϊκούς κβαντικούς υπολογιστές με τη σμίκρυνση των τεχνολογιών και την παραγωγή κβαντικών μνήμων μεγαλύτερης διάρκειας. «Είμαστε ακριβώς στο κατώφλι» του ελέγχου των κβαντικών δονήσεων, λέει ο Andrew Cleland, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις, του οποίου η ομάδα παρουσίασε την τελευταία της εργασία την περασμένη εβδομάδα εδώ στην ετήσια συνάντηση του Μαρτίου της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας.
Ενώ ένας συνηθισμένος υπολογιστής αναστρέφει bits που μπορούν να ρυθμιστούν είτε στο μηδέν είτε στο ένα, ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί qubits που μπορούν να ρυθμιστούν σε μηδέν, ένα ή, παραδόξως, μηδέν και ένα ταυτόχρονα – επιτρέποντας δυνητικά τεράστιες αυξήσεις στην ταχύτητα. Εταιρείες όπως η Google και η IBM αγωνίζονται να επιδείξουν την ανωτερότητα των κβαντικών υπολογιστών για ορισμένες εργασίες και πολλές στοιχηματίζουν σε qubits κατασκευασμένα από υπεραγώγιμα μεταλλικά κυκλώματα σε μάρκες.
Για να ελέγξουν ή να διαβάσουν ένα υπεραγώγιμο qubit, οι ερευνητές το κάνουν να αλληλεπιδρά με έναν συντονιστή μικροκυμάτων -συνήθως μια λωρίδα μετάλλου στο τσιπ qubit ή μια κοιλότητα μεγέθους δακτύλου που το περιβάλλει- που δακτυλίζεται με φωτόνια μικροκυμάτων όπως ένας σωλήνας οργάνου κουδουνίζει με ήχο. Προσαρμόζοντας την ενέργεια του qubit, οι ερευνητές μπορούν να μεταφέρουν τις κβαντικές του καταστάσεις στον συντονιστή, έτσι ώστε μια κατάσταση μηδέν και μία του qubit να μπορεί να αποθηκευτεί ως κατάσταση του συντονιστή στην οποία ένα φωτόνιο είναι και παρόν και απόν. Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί βλέπουν πλεονεκτήματα στην αντικατάσταση του συντονιστή μικροκυμάτων με έναν μηχανικό που κουδουνίζει με κβαντισμένες δονήσεις ή φωνόνια.
Αυτή η προσπάθεια μπορεί να φαίνεται ανόητη, καθώς τέτοιες δονήσεις συνιστούν θερμότητα, η οποία εξαλείφει τις ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις. Αλλά όταν εργάζεστε σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, ένας καλά σχεδιασμένος ακουστικός συντονιστής θα μπορούσε να κουδουνίζει περισσότερο από έναν μικροκυματικό, επιτρέποντάς του να λειτουργεί ως ένα είδος κβαντικής μνήμης, λέει ο Robert Schoelkopf, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale. Οι δονήσεις έχουν επίσης μήκη κύματος μικρότερο από το ένα χιλιοστό όσο τα μικροκύματα της ίδιας συχνότητας, επομένως οι συντονιστές μπορούν να είναι πολύ πιο συμπαγείς, λέει.
Πρώτον, οι φυσικοί πρέπει να μάθουν να ελέγχουν τις κβαντικές δονήσεις. Έκαναν ένα πρώτο βήμα το 2010, όταν ο Cleland, τότε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα (UCSB), έβγαλε κάθε φωνόνιο από έναν ταλαντούμενο πρόβολο χαραγμένο από νιτρίδιο αλουμινίου, αφήνοντάς το στη λιγότερο ενεργειακή κβαντική βασική του κατάσταση. Ωστόσο, αυτή η απλή κβαντική κατάσταση παρέμεινε για μόλις 5 νανοδευτερόλεπτα, πολύ λίγος χρόνος για να τεθεί η συσκευή σε πιο περίπλοκες κβαντικές καταστάσεις κίνησης.
Για να πιέσουν περαιτέρω, αρκετές ομάδες χειρίζονται κυματισμούς που ονομάζονται επιφανειακά ακουστικά κύματα (SAWs), που ταξιδεύουν κατά μήκος της επιφάνειας ενός υλικού. Πάνω από ένα μικροτσίπ, οι ερευνητές χαράσσουν δύο σχάρες μεταλλικών λωρίδων σε απόσταση μόλις μικρομέτρων μεταξύ τους. Στο κενό μεταξύ των σχαρών, οι ερευνητές πυροδοτούν ένα κύμα εφαρμόζοντας μια τάση σε μια συσκευή σε σχήμα χτένας που ονομάζεται μετατροπέας, η οποία προκαλεί τη συστολή του υλικού. Οι σχάρες λειτουργούν ως καθρέφτες, αντανακλώντας SAW συγκεκριμένου μήκους κύματος εμπρός και πίσω, έτσι ώστε να αντηχούν στο κενό. Και συνδέοντας τον μορφοτροπέα με ένα υπεραγώγιμο qubit, οι ερευνητές συνδέουν την κβαντική του κατάσταση με τα SAW.
Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, ο Cleland και ο Kevin Satzinger, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής του UCSB, κατασκεύασαν ένα αντηχείο σε ένα τσιπ νιοβάτη λιθίου που χτυπούσε για έως και 150 νανοδευτερόλεπτα. Έδειξαν ότι μπορούσαν να δημιουργήσουν οποιονδήποτε επιθυμητό συνδυασμό μηδενικών και ενός φωνονίων στο αντηχείο, είπε ο Σάτζινγκερ στη συνάντηση. "Μπορούμε να παρακολουθήσουμε την ενέργεια να πηγαίνει πέρα δώθε" μεταξύ του qubit και της κοιλότητας, λέει.
Οι ερευνητές στην ομάδα του Schoelkopf δεν επικεντρώνονται σε κύματα παγιδευμένα στην επιφάνεια ενός τσιπ, αλλά σε δονήσεις που ταξιδεύουν μέσα από το χύμα υλικό του τσιπ. Εκμεταλλεύονται τους κραδασμούς που μπορούν να αναπηδήσουν μεταξύ της άνω και της κάτω επιφάνειας του τσιπ πάχους μισού χιλιοστού κάτω από το qubit τους.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη γεωμετρία, οι ερευνητές διατήρησαν τους κραδασμούς στο τσιπ ζαφείρι τους να κουδουνίζουν για έως και 60 μικροδευτερόλεπτα, είπε ο Yiwen Chu του Yale στη συνάντηση. Επιπλέον, οι ερευνητές μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έως και επτά κβάντα δόνησης ένα προς ένα στον συντονιστή, ανέφερε. Η δημιουργία πιο περίπλοκων κβαντικών καταστάσεων είναι «πραγματικά το επόμενο βήμα», λέει ο Chu. Για παράδειγμα, λέει, μπορεί να προσπαθήσουν να βάλουν το αντηχείο σε μια κατάσταση γάτας Schrödinger, στην οποία θα περιέχει ένα μακροσκοπικό ηχητικό κύμα, που περιλαμβάνει πολλά κβάντα δόνησης, και ταυτόχρονα θα στερείται δονήσεων.
Οι ακουστικοί συντονιστές θα μπορούσαν να προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία στα σχέδια κβαντικών κυκλωμάτων. Σε ορισμένα κυκλώματα, πολλαπλά qubits συνδέονται με τον ίδιο συντονιστή μικροκυμάτων, ο οποίος λειτουργεί ως αγωγός για τις αλληλεπιδράσεις qubit. Αλλά οι περισσότερες κοιλότητες μικροκυμάτων μπορούν να φιλοξενήσουν φωτόνια μόνο μιας μόνο συχνότητας. Σε αυτήν την περίπτωση, όλα τα qubits πρέπει να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε ένα διασυνδεδεμένο κουβάρι, λέει ο Konrad Lehnert, φυσικός στο JILA, ένα ινστιτούτο που διευθύνεται από κοινού από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας.
Αντίθετα, οι ακουστικοί συντονιστές μπορούν να επιτρέψουν στα qubits να αλληλεπιδρούν με δονήσεις λίγων διαφορετικών, σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους συχνοτήτων. Αυτό θα καταστήσει δυνατή την προσαρμογή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των qubits, έτσι ώστε, για παράδειγμα, να αλληλεπιδρούν μόνο οι πλησιέστεροι γείτονες - επιθυμητό για τη μοντελοποίηση ορισμένων αφηρημένων κβαντικών συστημάτων, λέει ο Lehnert. Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν κάνει ένα βήμα προς έναν τέτοιο έλεγχο, είπε στη συνάντηση ο Bradley Moores της JILA, δείχνοντας ότι θα μπορούσαν ταυτόχρονα να συνδέσουν ένα μόνο qubit σε SAW πολλών συχνοτήτων.
Η κβαντική ακουστική μπορεί επίσης να βοηθήσει στην επίλυση ενός σημαντικού προβλήματος για τις αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες. Τα καλώδια μικροκυμάτων μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Για να το μετακινήσετε σε άλλα πειράματα ή μακρινές τοποθεσίες, ωστόσο, αυτά τα σήματα πιθανότατα θα χρειαστεί να μετατραπούν από μικροκύματα σε οπτικά φωτόνια, τα οποία μπορούν να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις σε οπτικές ίνες. Τα ακουστικά κύματα που κυματίζουν σε συχνότητες μικροκυμάτων έχουν μήκη κύματος παρόμοια με αυτά των οπτικών φωτονίων. Επομένως, κατ' αρχήν, θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως γέφυρα για τη μετάφραση μεταξύ των δύο, λένε οι ερευνητές, αν και κανείς δεν γνωρίζει ακόμη πώς ακριβώς να το κάνει.
Οι ακουστικοί συντονιστές θα μπορούσαν ακόμη και να δοκιμάσουν τα όρια του κβαντικού πεδίου. Η κβαντική θεωρία επιτρέπει σε μικροσκοπικά πράγματα όπως άτομα ή φωτόνια να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα, αλλά κανείς δεν έχει δει ποτέ τέτοια συμπεριφορά σε ένα μακροσκοπικό υλικό αντικείμενο. Μερικοί θεωρητικοί υποστηρίζουν ότι μια άγνωστη ακόμη αρχή, που ίσως περιλαμβάνει τη βαρύτητα, θα την εμπόδιζε να συμβεί για μεγάλα αντικείμενα. Αλλά η Chu λέει ότι μπορεί να είναι δυνατό να κάνει το τσιπ ζαφείρι της ομάδας της να δονείται ταυτόχρονα προς αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα έβαζε δεκάδες μικρογραμμάρια υλικού σε δύο ελαφρώς διαφορετικά μέρη ταυτόχρονα - και θα έλεγχε εάν η κβαντική παραξενιά εκτείνεται σχεδόν στην ανθρώπινη κλίμακα. "Δεν ξέρεις μέχρι να δοκιμάσεις."
