哈佛大學約翰．保爾森工程暨應用科學學院（SEAS）的研究人員，展示了一種利用機械振動，也就是微小的聲波，來保護脆弱量子資訊的新方法。
這項由電機工程學教授 Marko Lončar 實驗室開發的進展，有望支援直接建構在晶片上的小型量子網路的發展。它也可能幫助實現結合多種不同量子位元（qubit）的混合式量子系統。
研究結果已發表於《自然物理學》（Nature Physics）。實驗由 Lončar 實驗室近期獲得博士學位的 Eliza Cornell（現為波士頓大學博士後研究員）和 Lončar 實驗室前博士後學者 Zhujing Xu 領導。
利用聲波傳輸量子資訊
量子網路的一種有前景的方法是利用與鑽石中雜質相關的電子自旋來儲存量子資訊。然後，稱為聲子（phonons）的微小機械振動包可以作為載體，在量子位元節點之間移動資訊。
Lončar 實驗室在探索這些系統的潛力方面發揮了重要作用。其進展之一是稱為聲子腔（phononic cavity）的結構，它能捕捉機械振動，使其能與量子位元內部的電子自旋更強烈地互動。
與更常用於在晶片級網路中移動量子資訊的光相比，聲子具有重要的優勢。在相同頻率下，聲子的波長比光短得多，這使得能夠建構更小巧的元件並將它們更緊密地堆疊在一起。
聲子也能與固態自旋和電磁場輕鬆互動。這種多功能性使其對於將不同類型的量子位元整合到單一系統中的混合式量子技術特別具吸引力。
保存量子記憶體的挑戰
然而，使用聲子會帶來一個主要困難：保護量子記憶體。
量子位元對周遭環境的干擾極為敏感。為了保持可用性，它們必須保持其量子狀態足夠長的時間來儲存和處理資訊。這種能力稱為相干性（coherence）。
研究人員通常使用微波脈衝來保護量子記憶體免受環境干擾，這些脈衝可以將記憶體與周遭雜訊分離或解耦。然而，這些技術對於放置在聲子腔內的量子位元效果不佳。
這種限制使得在同一裝置中同時實現與聲子的強烈互動和持久的量子記憶體變得困難。
SEAS 團隊透過展示他們所描述的，針對鑽石中的矽-空位（silicon-vacancy）自旋的「全機械式相干保護」來解決這個問題。
研究人員沒有依賴傳統的微波脈衝，而是持續施加由聲子組成的機械驅動場。這將量子位元轉變為一種稱為「已耦合」（dressed）量子位元的不同量子狀態。
「已耦合」一詞指的是量子位元有效地「穿戴」了一個連續的聲學場。在此狀態下，量子位元對來自周遭環境的低頻雜訊變得較不敏感。
由於這種保護來自與聲子腔相容的連續機械場，因此該技術可以在可能最終連接量子網路中靜態節點的相同結構內運作。
這使得聲子具有潛在的強大雙重作用。它們可以將量子資訊在網路的不同部分之間傳輸，同時幫助保護該資訊免受環境雜訊的影響。
Cornell 表示：「我們正在解決兩個問題。我們希望自旋能與聲子有強烈的互動，同時我們也希望自旋具有長的相干時間。我們的論文展示了一種延長相干時間的方法，該方法與矽-空位中心位於腔體內相容。」
量子相干時間延長約三倍
透過這種新方法，研究人員將矽-空位自旋的相干時間大致延長了三倍。
結果表明，連續波機械雜訊抑制可以延長實際裝置中的量子相干性，這表明微小的聲波可能成為建構更可靠、更緊湊的量子系統的重要工具。