Quanteninformation ist fragil, und das übliche Werkzeug zu ihrem Schutz – Sequenzen von Mikrowellenpulsen, die einen Qubit vom umgebenden Rauschen entkoppeln – funktioniert schlecht für eine der vielversprechendsten Hardware-Plattformen: Spins in phononischen Kavitäten. In Nature Physics beschreiben Forschende aus dem Labor von Marko Lončar an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences einen Weg um diese Grenze herum, indem sie den Schutz mechanisch machen.
Das Team arbeitete mit einem Silizium-Fehlstellen-Spin in Diamant, einem führenden Kandidaten zur Speicherung von Quanteninformation, und trieb ihn kontinuierlich mit einem mechanischen Feld aus Phononen – winzigen Schwingungspaketen. Das Ergebnis ist ein „dressed“ Qubit: eines, das gewissermaßen ein fortlaufendes akustisches Feld trägt und dadurch weniger anfällig für niederfrequentes Umgebungsrauschen ist. Der Ansatz, den die Autoren „all-mechanischen Kohärenzschutz“ nennen, erhöhte die Kohärenzzeit des Spins um etwa den Faktor drei.
Bedeutsam ist die Kompatibilität. Phononen haben gegenüber Licht einen praktischen Vorteil für Quantennetzwerke im Chipmaßstab: Bei gleicher Frequenz ist ihre Wellenlänge viel kürzer, sodass Bauteile kleiner und dichter gepackt werden können, und sie wechselwirken leicht mit Festkörperspins wie mit elektromagnetischen Feldern. Doch dieselben Kavitäten, die Phononen nützlich machen, widersetzten sich der konventionellen Entkopplung. Da der neue Schutz aus einem kontinuierlichen mechanischen Feld stammt, kann er in diesen Kavitäten arbeiten – was Phononen eine potenzielle Doppelrolle gibt: Quanteninformation zwischen Knoten zu transportieren und sie zugleich zu bewahren.
„Der Spin muss stark mit Phononen wechselwirken und zugleich eine lange Kohärenzzeit haben“, sagt Eliza Cornell, die die Experimente als Doktorandin im Lončar-Labor leitete und nun Postdoktorandin an der Boston University ist. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass mikroskopische Schallwellen zu einem praktischen Werkzeug für zuverlässigere, kompaktere Quantengeräte und für Hybridsysteme werden könnten, die verschiedene Qubit-Arten kombinieren. Die Arbeit wurde von der NSF, dem Air Force Office of Scientific Research und dem Q-NEXT-Zentrum des DOE unterstützt; Harvards Office of Technology Development verfolgt Patentschutz.
