Ученые измерили механическую квантовую систему, не разрушая ее

Существует ключевой аспект квантовых вычислений, о котором вы, возможно, раньше не задумывались. Называемые "квантовыми измерениями без разрушения", они относятся к наблюдению определенных квантовых состояний без их разрушения в процессе.

Если мы хотим создать функционирующий квантовый компьютер, то, очевидно, будет полезно, чтобы он не ломался каждую секунду, пока производятся вычисления. Теперь ученые описали новую методику регистрации квантовых измерений без разрушения, которая сулит большие перспективы.

В данном случае в исследовании участвовали механические квантовые системы - объекты, которые относительно велики с точки зрения квантовых вычислений, но чрезвычайно малы для нас. Они используют механическое движение (например, вибрацию) для осуществления необходимой квантовой магии, и их можно объединять с другими квантовыми системами.

"Наши результаты открывают возможности для выполнения еще более сложных квантовых алгоритмов с использованием механических систем, таких как квантовая коррекция ошибок и многомодовые операции", - пишут исследователи в опубликованной работе.

Для целей данного исследования команда собрала тонкую полоску высококачественного сапфира толщиной чуть менее половины миллиметра. Тонкий пьезоэлектрический преобразователь использовался для возбуждения акустических волн, перемещающих единицы энергии, такие как фотоны, которые теоретически могут проходить через процессы квантовых вычислений. Технически это устройство известно как акустический резонатор.

Это была первая часть установки. Для проведения измерений акустический резонатор был соединен со сверхпроводящим кубитом - основными строительными блоками квантового компьютера, которые могут одновременно хранить значения 1 и 0, и на основе которых такие компании, как Google и IBM, уже создали рудиментарные квантовые компьютеры.

Поставив состояние сверхпроводящего кубита в зависимость от количества фотонов в акустическом резонаторе, ученые смогли считать это количество фотонов, фактически не взаимодействуя с ними и не передавая никакой энергии.

По их словам, это похоже на игру на теремине - странном музыкальном инструменте, к которому не нужно прикасаться, чтобы получить звук.

Создание квантового вычислительного эквивалента было непростой задачей: Квантовые состояния обычно очень недолговечны, и часть инноваций в этой технике заключалась в том, как эти состояния растягивались на более длительное время. Команда добилась этого отчасти благодаря выбору материалов, а отчасти благодаря сверхпроводящей алюминиевой полости, обеспечивающей электромагнитное экранирование.

В ходе дальнейших экспериментов им удалось получить так называемую "меру четности" механической квантовой системы.

Мера четности имеет решающее значение для различных квантовых технологий, особенно когда речь идет об исправлении ошибок в системах - а ни один компьютер не может работать нормально, если он регулярно совершает ошибки.

"Благодаря взаимодействию механических резонаторов со сверхпроводящими цепями, контурная квантовая акустодинамика может сделать доступными различные важные инструменты для манипулирования и измерения движущихся квантовых состояний", - пишут исследователи.

Все это очень высокий уровень с точки зрения квантовой физики, но суть в том, что это важный шаг вперед в одной из технологий, которая в конечном итоге может стать основой для будущих квантовых компьютеров, особенно в плане объединения различных типов систем вместе".

Гибридное устройство "кбит-резонатор", подобное описанному в данном исследовании, потенциально предлагает лучшее из двух различных областей исследований: вычислительные возможности сверхпроводящих кубитов и стабильность механических систем. Теперь ученые показали, что информацию из такого устройства можно извлекать неразрушающим способом.

Предстоит еще много работы - после того, как задача измерения состояний будет уточнена и решена, этими состояниями нужно будет пользоваться и манипулировать, чтобы получить реальную пользу - но огромный потенциал квантовых вычислительных систем, возможно, только что стал еще на один шаг ближе.

"Здесь мы демонстрируем прямые измерения распределения числа фононов и четности неклассических механических состояний", - пишут исследователи.

"Эти измерения являются одними из основных строительных блоков для создания акустических квантовых запоминающих устройств и процессоров".

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.