Исследовательская группа из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона совместно с рядом международных организаций впервые успешно наблюдала акустический эффект Парселла в алмазных наноструктурах. В исследовании использовался одиночный центр вакансии кремния в качестве спинового кубита, и за счет создания наномеханического резонатора микроволновой частоты было достигнуто примерно десятикратное увеличение скорости спиновой релаксации, при этом соответствующая кооперативность спин-фонон достигла примерно 10, что является рекордным показателем на сегодняшний день.
Согласно статье, опубликованной 6 мая в журнале Nature, исследовательская группа построила специально разработанный наномеханический резонатор микроволновой частоты вокруг спинового кубита на основе центра окраски в алмазе и провела лазерно-спектроскопические измерения на уровне одиночных фотонов при милликельвиновых температурах. Эксперимент показал, что когда спиновый кубит был настроен в резонанс с акустической модой 12 ГГц, скорость его спиновой релаксации увеличилась в десять раз по сравнению со свободным пространством, что напрямую подтвердило ключевое предсказание акустического эффекта Парселла. Кроме того, команда использовала этот центр окраски в качестве атомно-масштабного зонда для измерения широкополосного фононного спектра наноструктуры в диапазоне частот до 28 ГГц.
Эффект Парселла был предложен физиком Эдвардом Парселлом в 1946 году и описывает способность электромагнитного резонатора изменять скорость спонтанного излучения помещенного в него излучателя; впоследствии он нашел широкое применение в области квантовых вычислений и связи. Акустический эффект Парселла является аналогом этого эффекта в фононных системах, где для управления квантовыми состояниями используются звуковые волны, а не свет. Команда Гарвардского университета впервые успешно воспроизвела этот механизм в твердотельном искусственном атоме, успешно заполнив экспериментальный пробел в твердотельных акустических системах, существовавший почти 80 лет с момента теоретического предсказания этого эффекта.
Центр вакансии кремния — это точечный дефект в алмазе, образованный замещением двух атомов углерода одним атомом кремния. Его основное состояние орбитально вырождено и высокочувствительно к локальной деформации, а сила электрон-фононной связи от природы выше, чем в других системах центров окраски. Команда использовала эту особенность, чтобы с помощью наномеханического резонатора перераспределить плотность фононных состояний и избирательно ускорить канал релаксации спина через испускание фононов. Измерения показали, что кооперативность спин-фонон в этой системе достигает примерно 10, что означает преодоление системой критического порога, необходимого для квантового когерентного управления, и фононы могут эффективно извлекать информацию из кубита, не заглушаясь шумом окружающей среды.
Данная исследовательская работа была выполнена под руководством Гарвардского университета в сотрудничестве с исследовательскими группами из Японии, Европы и других регионов. В число 12 соавторов статьи входят Грэм Джо, Майкл Хаас, Кадзухиро Курума, Чан Джин, Донгён Дэниел Канг, Софи Вэйи Дин, Кливэн Чиа, Хана Уорнер, Бенджамин Пинго, Бартоломеус Махилсе, Сруджан Месала и Марко Лончар. Эта трансконтинентальная модель сотрудничества охватила полную технологическую цепочку: от подготовки алмазных материалов и обработки наноструктур до низкотемпературных квантовых измерений.
Это достижение открывает прямой канал для преобразования сигналов между твердотельными кубитами и акустическими сверхпроводящими устройствами, что потенциально может изменить способы соединения узлов квантовых сетей. Во-первых, фононы могут служить «универсальным квантовым преобразователем» между различными физическими системами, обеспечивая передачу информации между сверхпроводящими кубитами и твердотельными центрами окраски. Во-вторых, эта технология может быть напрямую преобразована в механическую квантовую память, обеспечивая физическую основу для синхронизации и кэширования информации в распределенных квантовых вычислительных сетях. В-третьих, акустический эффект Парселла может преобразовывать фононный шум в ресурс для повышения степени спиновой поляризации, обеспечивая чувствительность квантового зондирования, превышающую существующие пределы.
На фоне ускоряющейся международной конкуренции в области квантовых вычислений это достижение гарвардской команды закладывает экспериментальную основу для новой развивающейся области — «акустической квантовой интерконнекции». В настоящее время несколько национальных лабораторий по всему миру уже запустили исследовательские программы по твердотельным акустическим квантовым интерфейсам. Ожидается, что в ближайшие два года прототипы квантовых преобразователей и ретрансляторов, основанных на акустическом эффекте Парселла, последовательно перейдут на стадию проверки принципиальных макетов.