Физики из США сообщают, что им впервые в мире удалось записать, а затем извлечь информацию с помощью квантового механического осциллятора. Созданное ими устройство состоит из очень тонкого алюминиевого диска («барабана»), который подключен к микроволновой цепи. Квантовая информация, закодированная при помощи микроволнового сигнала, передается на «барабан», который вибрирует, как обычный музыкальный инструмент. Информация может быть считана, путем преобразования механических колебаний обратно в микроволновый сигнал.

Как известно, квантовые компьютеры в принципе могли бы превзойти обычные при решении определенных задач. Однако работа таких компьютеров основана на оперировании квантовыми битами (кубитами), которые должны хранить и передавать квантовую информацию, не теряя ее при взаимодействии с внешним миром.

По словам самих разработчиков,

устройство, созданное совместной группой ученых из National Institute of Standards and Technology (США) и University of Colorado (США) может хранить квантовую информацию достаточно долго, чтобы его можно было назвать потенциальным кандидатом на роль компонента памяти в квантовом компьютере будущего.

Попытки сделать «квантовую память» предпринимались и ранее. Как и тогда, идея американских ученых построена на использовании «мезоскопических» объектов, размеры которых достаточно малы, чтобы проявлялись квантовые эффекты, но при этом одновременно и достаточно велики, чтобы при изготовлении на чипе их можно было подключить к другим кубитам. При весе всего 49 пикограмм, их элемент памяти представляет собой круглый лист алюминия 15 мкм в диаметре и 100 нм толщиной (диск или «барабан», как назвали его сами ученые).

Для работы данное устройство охлаждается до 25 мК с помощью методик микроволнового охлаждения, таким образом, устройство переходит на самый низкий энергетический уровень (основное состояние). Для записи на такое устройство квантовая информация кодируется при помощи амплитуды и фазы микроволнового импульса. Этот импульс отправляется по волноводу, расположенному рядом со спиралевидным резонансным контуром, в который включен «барабан».

Схема разработана таким образом, что импульс полностью поглощается цепью, и микроволновая энергия, в конечном счете, переходит в колебательную энергию самого «барабана». В результате параметры колебания «барабана» (амплитуда и фаза механических колебаний) совпадают с параметрами поглощенного микроволнового импульса.

Процесс перехода энергии контролируется при помощи второго микроволнового сигнала, наличие или отсутствие которого определяет, переходит ли микроволновый импульс в резонансный контур или происходит обратный процесс. Для считывания информации этот дополнительный электромагнитный сигнал настраивается таким образом, чтобы колебания переходили от «барабана» обратно в микроволновый импульс, который может быть отправлен по волноводу.

В рамках проведенного эксперимента команда продемонстрировала возможность хранить кантовую информацию в течение приблизительно 25 мкс без значительных потерь. Успешное сохранение и извлечение импульса возможно примерно в 65% попыток. По словам ученых, эта неэффективность возникает из-за того, что сама по себе микроволновая цепь не является совершенной, соответственно, часть импульсов просто теряется. Однако исследователи уверены, что для небольших схем они могут повысить производительность.

Ученые продемонстрировали использование созданной ячейки памяти в сочетании со сверхпроводящими кубитами, которые также работают при низких температурах и сверхвысоких частотах.

Таким образом, хотя механические осцилляторы не могут легко связываться друг с другом, чтобы строить логические устройства, они могут применяться для хранения квантовой информации, которая затем обрабатывается при помощи сверхпроводящих устройств. При этом линейный характер устройства означает, что оно может быть использовано для хранения более чем одного кубита единовременно.

Подробное описание работы ученых опубликовано в журнале Nature.