Новое оборудование интегрирует механические устройства в квантовую технологию
Исследователи Стэнфордского университета разработали ключевое экспериментальное устройство для будущих технологий, основанных на квантовой физике, которое заимствует страницы у современных повседневных механических устройств.
Фотография полностью упакованного устройства под углом. Верхний (механический) чип прикреплен лицевой стороной вниз к нижнему (кубитному) чипу с помощью клейкого полимера. Предоставлено: Агнетта Клиланд
Надежные, компактные, прочные и эффективные акустические устройства используют механическое движение для выполнения полезных задач. Ярким примером такого устройства является механический осциллятор. При смещении под действием силы — например, звука — компоненты устройства начинают двигаться вперед-назад вокруг своего исходного положения. Создание этого периодического движения — удобный способ следить за временем, фильтровать сигналы и ощущать движение в вездесущей электронике, включая телефоны, компьютеры и часы.
Исследователи стремились свести преимущества механических систем к чрезвычайно малым масштабам таинственного квантового царства, где атомы деликатно взаимодействуют и ведут себя нелогичным образом. С этой целью исследователи из Стэнфорда под руководством Амира Сафави-Наейни продемонстрировали новые возможности, соединив крошечные наномеханические генераторы с типом схемы, которая может хранить и обрабатывать энергию в форме кубита или квантового «бита» информации. Используя кубит устройства, исследователи могут манипулировать квантовым состоянием механических осцилляторов, создавая виды квантово-механических эффектов, которые когда-нибудь смогут расширить возможности передовых вычислений и сверхточных сенсорных систем.
«С этим устройством мы продемонстрировали важный следующий шаг в попытке создать квантовые компьютеры и другие полезные квантовые устройства на основе механических систем», — сказал Сафави-Наейни, доцент кафедры прикладной физики Стэнфордской школы гуманитарных наук. наук. Сафави-Наейни — старший автор нового исследования, опубликованного 20 апреля в журнале Nature с описанием результатов. «По сути, мы стремимся построить «механические квантово-механические» системы», — сказал он.
Квантовые эффекты на компьютерных чипах
Совместные первые авторы исследования, Алекс Воллак и Агнетта Клиланд, оба доктора философии. кандидатов в Стэнфорде, возглавил усилия по разработке этого нового квантового оборудования на основе механики. Используя Стэнфордские нано-объекты общего пользования в кампусе, исследователи работали в чистых помещениях, одетые в закрывающие тело белые «костюмы кролика», которые носят на заводах по производству полупроводников, чтобы предотвратить загрязнение чувствительных материалов при работе.
Используя специальное оборудование, Воллак и Клеланд изготовили аппаратные компоненты с нанометровым разрешением на двух кремниевых компьютерных чипах . Затем исследователи соединили два чипа вместе так, чтобы компоненты нижнего чипа были обращены к компонентам верхней половины в виде сэндвича.
На нижнем чипе Воллак и Клеланд создали алюминиевую сверхпроводящую схему, которая образует кубит устройства. Отправка микроволновых импульсов в эту схему генерирует фотоны (частицы света), которые кодируют кубит информации в устройстве. В отличие от обычных электрических устройств, которые хранят биты как напряжения, представляющие либо 0, либо 1, кубиты в квантово-механических устройствах также могут одновременно представлять взвешенные комбинации 0 и 1. Это связано с квантово-механическим явлением, известным как суперпозиция, когда квантовая система существует в нескольких квантовых состояниях одновременно, пока система не будет измерена.
«То, как реальность работает на квантово-механическом уровне, сильно отличается от нашего макроскопического восприятия мира», — сказал Сафави-Наейни.
Верхний чип содержит два наномеханических резонатора, образованных подвесными мостовидными кристаллическими структурами длиной всего несколько десятков нанометров — или миллиардных долей метра. Кристаллы сделаны из ниобата лития, пьезоэлектрического материала. Материалы с этим свойством могут преобразовывать электрическую силу в движение, что в случае с этим устройством означает, что электрическое поле, передаваемое фотоном кубита, преобразуется в квант (или единую единицу) колебательной энергии, называемой фононом.
Концептуальная иллюстрация состояния Белла, в котором одна единица колебательной энергии распределяется между двумя осцилляторами. Система существует одновременно в двух возможных состояниях: первое возможное квантовое состояние (в скобках слева от знака плюс) показывает, что правый осциллятор колеблется, а левый осциллятор стоит на месте. Второе возможное состояние показывает, что колебательная энергия занимает левый осциллятор, а правый остается неподвижным. Устройство существует в суперпозиции обоих возможных состояний — это означает, что каждый осциллятор движется и не движется одновременно — до тех пор, пока оно не будет измерено. Измерение системы дало бы только один из двух показанных (заключенных в скобки) результатов: если бы было замечено, что левый осциллятор вибрирует, правый обязательно был бы неподвижен, и наоборот. Это иллюстрирует запутанность между двумя осцилляторами: выполняя измерение для получения информации о движении только одного осциллятора, наблюдатель также определяет состояние другого осциллятора, без необходимости измерять его отдельно. Предоставлено: Агнетта Клиланд
«Точно так же, как световые волны, которые квантуются в фотоны, звуковые волны квантуются в «частицы», называемые фононами, — сказал Клиланд, — и, комбинируя энергию этих различных форм в нашем устройстве, мы создаем гибридную квантовую технологию, которая использует преимущества обоих."
Генерация этих фононов позволила каждому наномеханическому осциллятору действовать как регистр, который является наименьшим из возможных элементов для хранения данных в компьютере, и с кубитом, поставляющим данные. Соответственно, как и кубит, осцилляторы также могут находиться в состоянии суперпозиции — они могут быть как возбужденными (представляющими 1), так и невозбужденными (представляющими 0) одновременно. Сверхпроводящая схема позволила исследователям подготавливать, считывать и изменять данные, хранящиеся в регистрах, концептуально аналогично тому, как работают обычные (не квантовые) компьютеры.
«Мечта состоит в том, чтобы создать устройство, которое работает так же, как кремниевые компьютерные чипы, например, в вашем телефоне или на флэш-накопителе, где регистры хранят биты», — сказал Сафави-Наейни. «И хотя мы пока не можем хранить квантовые биты на флэш-накопителе, мы показываем то же самое с механическими резонаторами».
Использование запутанности
Помимо суперпозиции, связь между фотонами и резонаторами в устройстве еще больше усилила еще одно важное квантово-механическое явление, называемое запутанностью. Что делает запутанные состояния такими нелогичными, а также общеизвестно сложными для создания в лаборатории, так это то, что информация о состоянии системы распределяется по ряду компонентов. В этих системах можно знать все о двух частицах вместе, но ничего об одной из частиц, наблюдаемых по отдельности. Представьте себе две монеты, которые подбрасывают в двух разных местах и которые выпадают орлом или решкой случайным образом с равной вероятностью, но когда сравниваются измерения в разных местах, они всегда коррелируют; то есть, если одна монета выпадет решкой, другая монета гарантированно выпадет орлом.
Манипуляции с несколькими кубитами, находящимися в суперпозиции и запутанными, — это один-два удара, обеспечивающие вычисления и восприятие в востребованных квантовых технологиях. «Без суперпозиции и большого количества запутанностей вы не сможете построить квантовый компьютер», — сказал Сафави-Наейни.
Чтобы продемонстрировать эти квантовые эффекты в эксперименте, исследователи из Стэнфорда сгенерировали один кубит, сохраненный в виде фотона в цепи на нижнем чипе. Затем схеме дали возможность обмениваться энергией с одним из механических генераторов на верхнем чипе перед передачей оставшейся информации второму механическому устройству . Обменявшись таким образом энергией — сначала с одним механическим осциллятором, а затем со вторым осциллятором — исследователи использовали схему в качестве инструмента для квантово-механического запутывания двух механических резонаторов друг с другом.
«Причудливость квантовой механики здесь проявляется в полной мере, — сказал Воллак. «Мало того, что звук приходит в виде дискретных единиц, но одна звуковая частица может быть разделена между двумя запутанными макроскопическими объектами, каждый из которых состоит из триллионов атомов, движущихся — или не движущихся — согласованно».
Для того, чтобы в конечном итоге выполнить практические вычисления, период устойчивой запутанности или когерентности должен быть значительно больше — порядка секунд вместо долей секунд, достигнутых до сих пор. Наложение и запутанность — очень деликатные условия, уязвимые даже для незначительных возмущений в виде тепла или другой энергии, и, соответственно, наделяют предлагаемые квантовые сенсорные устройства исключительной чувствительностью. Но Сафави-Наейни и его соавторы считают, что более длительное время когерентности может быть легко достигнуто путем оттачивания производственных процессов и оптимизации используемых материалов.
«За последние четыре года мы улучшали производительность нашей системы почти в 10 раз каждый год, — сказал Сафави-Наейни. «Двигаясь вперед, мы продолжим делать конкретные шаги по разработке квантово-механических устройств, таких как компьютеры и датчики, и перенесем преимущества механических систем в квантовую область».
