这项由电气工程Tiantsai Lin教授Marko Lončar实验室开发的进展，有望支持直接在芯片上构建紧凑型量子网络。它还可能助力实现混合量子系统，即结合多种不同类型量子比特（qubits）的系统。
研究成果发表在《自然-物理学》上。实验由Lončar实验室近期博士毕业生、现任波士顿大学博士后研究员Eliza Cornell，以及Lončar小组前博士后学者Zhujing Xu领导。
利用声波传输量子信息
量子网络的一种可行方法是利用与钻石杂质相关的电子自旋来存储量子信息。被称为声子的微小机械振动包随后可作为载体，在量子比特节点之间传输信息。
Lončar实验室在探索这些系统的潜力方面发挥了重要作用。其进展之一是一种被称为声子腔的结构，该结构能够束缚机械振动，使其与量子比特内部的电子自旋发生更强的相互作用。
与通常用于在芯片级网络中传输量子信息的光相比，声子可能具有重要优势。在相同频率下，声子的波长比光短得多，从而可以制造出体积更小的组件并将其更紧密地封装在一起。
声子还能轻易与固态自旋和电磁场发生相互作用。这种多功能性使其对于将不同类型的量子比特集成在单一系统中的混合量子技术极具吸引力。
保持量子记忆的挑战
然而，使用声子带来了一个主要难题：保护量子记忆。
量子比特对来自周围环境的干扰极其敏感。为了保持有用性，它们必须将量子态保持足够长的时间，以存储和处理信息。这种能力被称为相干性。
研究人员通常利用微波脉冲将量子记忆与周围噪声分离（或解耦），从而保护其免受环境干扰。然而，这些技术对于放置在声子腔内的量子比特效果并不理想。
这一局限性使得在同一设备中难以同时实现与声子的强相互作用和持久的量子记忆。
受声波保护的“修饰”量子比特
SEAS团队通过演示对钻石中硅空位自旋的“全机械相干保护”解决了这一问题。
研究人员没有依赖传统的微波脉冲，而是持续施加由声子构成的机械驱动场。这将量子比特转变为一种被称为“修饰”量子比特的不同量子态。
“修饰”一词是指量子比特有效地“穿戴”了一个连续声学场。在这种状态下，量子比特对来自周围环境的低频噪声变得不那么脆弱。
由于这种保护来自与声子腔兼容的连续机械场，该技术可以在相同结构内运行，而这些结构最终可能连接量子网络中的静止节点。
这赋予了声子一种潜在强大的双重角色。它们既可以在网络的不同部分之间传输量子信息，同时又有助于保护该信息免受环境噪声的影响。
“我们正在解决两个问题，”Cornell说，“我们希望自旋与声子有强烈的相互作用，同时也希望自旋具有长的相干时间。我们的论文展示了一种延长相干时间的方法，该方法与硅空位中心位于腔内是兼容的。”
量子相干时间延长约三倍
利用新方法，研究人员将硅空位自旋的相干时间延长了约三倍。
这一结果表明，连续波机械噪声抑制可以延长实际器件中的量子相干性，暗示微观声波可能成为构建更可靠、更紧凑量子系统的重要工具。
论文《自旋量子比特的全机械相干保护与快速控制》的合著者包括Zhaoyou Wang、Hana K. Warner、Eliana Mann、Michael Haas、Smarak Maity、Graham Joe、Liang Jiang、Peter Rabl和Benjamin Pingault。
该研究获得了美JianCe邦政府的支持，资助来源包括：美国国家科学基金会（资助号EEC-1941583）；美国空军科学研究局（获奖编号FA9550-23-1-0333和FA9550-23-1-0338）；以及Q-NEXT（美国能源部科学部国家量子信息科学研究中心，获奖编号No. DE-FOA-0002253）。
部分工作在哈佛大学纳米级系统中心完成，该中心是国家纳米技术基础设施网络的成员，由美国国家科学基金会获奖编号No. ECS-0335765支持。
哈佛大学技术发展办公室正在积极寻求针对此项研究产生的创新的专利保护和商业化机会。