Вместо света в качестве основы для квантовых компьютеров будущего, возможно, будет использоваться звук. К такому заключению пришли ученые из Инженерной школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME). В новой работе, опубликованной в журнале Nature Physics, представлены доказательства возможности точного управления фазой фононов – квантов механических колебаний, которые в обычной жизни воспринимаются как звук.
В то время как фотонные системы, являющиеся предметом обширных исследований, часто характеризуются вероятностными процессами и случайностью, новая платформа предоставляет возможность полного управления фазой фонона. Это стало возможным благодаря его рассеянию на сверхпроводящем кубите, выступающем в роли квантового аналога классического бита, и посредством электрического взаимодействия. Следовательно, информация, переносимая фононами, может быть обработана в квантовом компьютере, избегая случайности, свойственной фотонным системам.
По словам профессора Эндрю Клеланда из Чикагского университета, детерминированная природа фононной платформы позволяет предположить, что она может быть более перспективной для квантовых вычислений, чем фотоны, хотя предстоит решить ещё ряд вопросов. Хун Цяо, ведущий автор исследования и постдокторант в лаборатории Клеланда, отметил, что детерминированные квантовые операции предоставляют этому гибридному подходу значительное преимущество по сравнению с чисто оптическими решениями.
Основное различие между детерминистическими и вероятностными системами заключается в возможности прогнозирования результата. В детерминистических системах выполнение операции А всегда неизменно приводит к результату Б. В вероятностных системах, типичных для квантовой механики, результат операции не является предопределённым: действие А может с определённой вероятностью привести к результату Б, В или другим вариантам, и оценить успех операции возможно только после её завершения и проведения измерений.
Для исследователей приоритетной задачей является увеличение продолжительности существования фононов, которая в существующих экспериментальных условиях составляет микросекунды. Для реализации полезных вычислений это время необходимо увеличить приблизительно в сто раз. Это представляется возможным, поскольку фононы, в отличие от фотонов, которые могут излучаться в окружающую среду, находятся внутри материала и не исчезают в вакууме. Продолжительность их жизни ограничена связью с кубитом, требуемой для управления, однако, подобно быстрому затуханию колебаний после прикосновения к звенящему колоколу, она приводит к их гашению. Как подчеркнул соавтор работы, теоретик Чжаоюй Ван, в хорошо изолированных резонаторах фононы могут сохраняться в течение нескольких секунд.
Решение проблемы ограниченного срока службы позволит расширить возможности системы и применять множество фононов, что, как отмечает профессор Клеланд, может привести к разработке полностью твердотельных квантовых компьютеров, интегрированных на чипе и основанных на управлении звуковыми волнами.