Vědci z Harvardu vyvíjejí kvantové sítě na čipu založené na zvukových vibracích

Vědci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) přišli s novým přístupem k ochraně kvantové informace, který spoléhá na mechanické vibrace namísto tradičních metod založených čistě na optice nebo elektronice. Výzkum vede Marko Lončar, profesor elektrotechniky, jehož laboratoř se dlouhodobě zabývá fotonikou a integrovanými kvantovými systémy. Nový koncept počítá s využitím zvukových vln, konkrétně mechanických vibrací materiálu, jako prostředníka, který dokáže kvantovou informaci uchovat stabilnější formou, než je tomu u čistě optických nebo elektronických řešení.

Kvantová informace je notoricky křehká – jakýkoliv vnější vliv, jako je teplo, elektromagnetické šumy nebo mechanické otřesy prostředí, může narušit kvantový stav a znehodnotit uložená data. Právě tato citlivost dlouhodobě komplikuje praktické využití kvantových technologií mimo laboratorní podmínky. Tým z Harvardu proto hledal způsob, jak křehké kvantové stavy chránit a přenášet efektivněji, a to díky médiu, které je méně náchylné na některé typy rušení než světlo nebo elektrický proud.

Mechanické vibrace by podle výzkumníků mohly sloužit jako spolehlivé médium pro přenos a uchování kvantové informace na čipu, což by otevřelo cestu k miniaturizaci kvantových zařízení. Cílem je vyvinout kompaktní, takzvané zvukové kvantové sítě přímo na čipech – tedy integrované systémy, které by dokázaly zpracovávat a přenášet kvantovou informaci pomocí akustických, respektive fononových jevů, obdobně jako dnešní fotonika využívá světlo.

Takový přístup by mohl výrazně zjednodušit architekturu budoucích kvantových počítačů a komunikačních sítí. Místo objemných a citlivých optických komponent by bylo možné využít mnohem menší mechanické struktury, které lze vyrábět podobnými technikami jako běžné polovodičové čipy. To by snížilo nároky na prostor i energii a usnadnilo škálování kvantových systémů do větších celků.

Dalším významným aspektem výzkumu je možnost vytváření hybridních kvantových systémů, které by kombinovaly různé typy kvantových bitů, tedy qubitů. V současnosti existuje několik konkurenčních platforem pro qubity – supravodivé obvody, zachycené ionty, fotony nebo defekty v pevných látkách – přičemž každá má své výhody i omezení. Mechanické vibrace by podle týmu z Harvardu mohly fungovat jako univerzální „tlumočník“ mezi těmito odlišnými systémy a umožnit jejich vzájemné propojení.

Hybridní přístup by mohl řešit jeden z klíčových problémů současného vývoje kvantových technologií – totiž skutečnost, že různé typy qubitů excelují v různých úlohách. Zatímco některé platformy jsou vhodné pro dlouhodobé uchování informace, jiné lépe zvládají rychlé výpočty nebo přenos dat na dálku. Pokud by se podařilo tyto systémy efektivně propojit prostřednictvím mechanických vibrací, mohlo by to vést k výkonnějším a flexibilnějším kvantovým architekturám, které by těžily z předností jednotlivých technologií současně.

Využití zvuku, respektive fononů, v kvantové fyzice není zcela nová myšlenka, ale dosavadní snahy narážely na technické limity spojené s výrobou vhodných struktur a s dostatečnou kontrolou nad mechanickými stavy na kvantové úrovni. Práce týmu vedeného Lončarem se zaměřuje právě na tyto praktické překážky a hledá cesty, jak mechanické vibrace integrovat do existujících čipových platforem tak, aby byly kompatibilní se současnými výrobními postupy používanými v mikroelektronice a fotonice.

Pokud se výzkumníkům podaří tento koncept dále rozvinout a ověřit v praxi, mohlo by to znamenat důležitý krok směrem k praktickým kvantovým sítím, které by byly menší, odolnější a snáze vyrobitelné než dosavadní řešení. Takové sítě by mohly najít uplatnění v kvantové komunikaci, kvantových senzorech nebo jako součást budoucích kvantových počítačů, kde je potřeba propojit mnoho jednotlivých kvantových prvků do funkčního celku.

Výzkum na Harvardu tak přidává další dílek do skládačky technologií, které mají v příštích letech posunout kvantovou fyziku z experimentálních laboratoří blíže k reálnému nasazení. Zatímco konkrétní časový horizont praktického využití zůstává nejistý, směr, kterým se tým kolem Marka Lončara vydal, ukazuje, že řešení problémů spojených s křehkostí kvantové informace nemusí ležet pouze v oblasti optiky či elektroniky, ale i v oboru mechaniky a akustiky.