Neues Gerät öffnet die Tür zur Speicherung von Quanteninformationen als Schallwellen

Quantencomputing benötigt, genau wie herkömmliches Computing, eine Möglichkeit, die von ihm verwendeten und verarbeiteten Informationen zu speichern. Auf dem Computer, den Sie gerade verwenden, müssen Informationen irgendwo gespeichert sein, seien es Fotos Ihres Hundes, eine Erinnerung an den Geburtstag eines Freundes oder die Wörter, die Sie in die Adressleiste des Browsers eingeben. Da es sich beim Quantencomputing um ein neues Feld handelt, wird immer noch geklärt, wo und wie Quanteninformationen gespeichert werden sollen.

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturphysik, Mohammad Mirhosseini, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und angewandte Physik, zeigt eine neue Methode, die sein Labor entwickelt hat, um elektrische Quantenzustände effizient in Schall umzuwandeln und umgekehrt. Diese Art der Übersetzung könnte die Speicherung von Quanteninformationen ermöglichen, die von zukünftigen Quantencomputern erstellt werden, die wahrscheinlich aus elektrischen Schaltkreisen bestehen.

Diese Methode nutzt sogenannte Phononen, das Schalläquivalent eines Lichtteilchens namens Photon. (Denken Sie daran, dass in der Quantenmechanik alle Wellen Teilchen sind und umgekehrt). Das Experiment untersucht Phononen zur Speicherung von Quanteninformationen, da es relativ einfach ist, kleine Geräte zu bauen, die diese mechanischen Wellen speichern können.

Um zu verstehen, wie eine Schallwelle Informationen speichern kann, stellen Sie sich einen extrem echoreichen Raum vor. Nehmen wir an, Sie müssen sich Ihre Einkaufsliste für den Nachmittag merken, öffnen also die Tür zu diesem Raum und rufen: „Eier, Speck und Milch!“ und schließe die Tür. Eine Stunde später, wenn es Zeit ist, zum Lebensmittelladen zu gehen, öffnen Sie die Tür, stecken Ihren Kopf hinein und hören Ihre eigene Stimme immer noch widerhallen: „Eier, Speck und Milch!“ Sie haben gerade Schallwellen zum Speichern von Informationen verwendet.

Natürlich würde ein solches Echo in der realen Welt nicht lange anhalten und Ihre Stimme könnte am Ende so verzerrt sein, dass Sie Ihre eigenen Worte nicht mehr verstehen können, ganz zu schweigen davon, dass Sie einen ganzen Raum für die Speicherung ein wenig benötigen von Daten wäre lächerlich. Die Lösung des Forschungsteams ist ein winziges Gerät, das aus flexiblen Platten besteht, die durch Schallwellen mit extrem hohen Frequenzen in Schwingungen versetzt werden. Wenn eine elektrische Ladung auf diese Platten aufgebracht wird, können sie mit elektrischen Signalen interagieren, die Quanteninformationen übertragen. Dadurch können diese Informationen zur Speicherung in das Gerät geleitet und zur späteren Verwendung weitergeleitet werden – ähnlich wie bei der Tür zu dem Raum, in den Sie zuvor in dieser Geschichte geschrien haben.

Laut Mohammad Mirhosseini hatten frühere Studien eine spezielle Art von Materialien namens Piezoelektrika als Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie in Quantenanwendungen untersucht.

„Diese Materialien neigen jedoch dazu, Energieverluste bei elektrischen Wellen und Schallwellen zu verursachen, und Verluste sind ein großer Killer in der Quantenwelt“, sagt Mirhosseini. Im Gegensatz dazu ist die von Mirhosseini und seinem Team entwickelte neue Methode unabhängig von den Eigenschaften bestimmter Materialien und daher kompatibel mit etablierten Quantengeräten, die auf Mikrowellen basieren.

Die Schaffung effektiver Speichergeräte mit geringem Platzbedarf sei eine weitere praktische Herausforderung für Forscher, die an Quantenanwendungen arbeiten, sagt Alkim Bozkurt, ein Doktorand in Mirhosseinis Gruppe und Hauptautor der Arbeit.

„Unsere Methode ermöglicht jedoch die Speicherung von Quanteninformationen aus elektrischen Schaltkreisen für zwei Größenordnungen längere Zeiträume als andere kompakte mechanische Geräte“, fügt er hinzu.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Chaitali Joshi und Han Zhao, beide Postdoktoranden in Elektrotechnik und angewandter Physik; und Peter Day und Henry LeDuc, Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory, das Caltech für die NASA verwaltet.