Qubit kim cương mất coherence chỉ sau khoảng 0,7 microsecond: Harvard dùng “âm thanh tí hon” để kéo dài hơn ba lần

Một spin qubit trong kim cương của nhóm Harvard mất coherence sau chưa đầy một microsecond khi để ở trạng thái thông thường. Nhưng khi nhóm liên tục “bao” nó bằng một trường dao động cơ học — về bản chất là sóng âm cực nhỏ — thời gian coherence đo bằng Ramsey tăng từ 680 ± 40 nanosecond lên 2,2 ± 0,2 microsecond.

Kết quả, công bố trên Nature Physics tháng 7/2026, không phải một phương pháp giúp mọi loại quantum computer giữ qubit sống lâu hơn. Thí nghiệm nhắm tới một loại qubit rất cụ thể: spin của silicon-vacancy center (SiV) trong kim cương, được quan tâm như một quantum memory cho mạng lượng tử trên chip. Điểm mới nằm ở chỗ chính phonon — lượng tử của dao động cơ học — vừa có thể là phương tiện kết nối các node lượng tử, vừa được dùng để bảo vệ coherence của spin.

Nhóm gọi phương pháp này là all-mechanical coherence protection. Thay vì dùng chuỗi xung microwave để liên tục “refocus” spin khỏi nhiễu môi trường, họ tạo một acoustic field liên tục và biến qubit sang một dressed state ít nhạy hơn với nhiễu từ trường tần số thấp.

Vấn đề không chỉ là qubit sống ngắn, mà là cách bảo vệ có thể xung đột với cách kết nối nó

Coherence là khoảng thời gian một qubit còn giữ được quan hệ pha lượng tử cần cho tính toán hoặc lưu trữ thông tin. Trong chất rắn, spin qubit không nằm trong chân không: nó chịu tác động của từ trường dao động, spin hạt nhân lân cận, phonon nhiệt và các khuyết tật của vật liệu. Những tương tác nhỏ này khiến pha lượng tử dần mất tương quan với trạng thái ban đầu.

Một kỹ thuật phổ biến là dynamical decoupling: áp các xung điều khiển để đảo spin theo chu kỳ, nhờ đó một phần nhiễu chậm có thể bị triệt tiêu giống như cách spin echo khôi phục tín hiệu trong cộng hưởng từ.

Nhưng với mạng lượng tử dựa trên phonon, bài toán khó hơn. Muốn truyền thông tin giữa các spin, qubit phải tương tác mạnh và liên tục với một phononic cavity hoặc mode cơ học cộng hưởng. Các chuỗi xung decoupling có thể làm gián đoạn chính tương tác spin–phonon mà hệ thống cần để truyền thông tin, hoặc đòi hỏi trường microwave rất mạnh trong môi trường cryogenic.

Đây là mâu thuẫn mà nhóm của Marko Lončar tại Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences muốn giải quyết: làm sao vừa để spin “nghe” phonon đủ mạnh, vừa không để môi trường khiến ký ức lượng tử biến mất quá nhanh.

Thay vì né phonon, Harvard dùng phonon làm lớp bảo vệ

Thiết bị bắt đầu với một chip kim cương chứa silicon-vacancy center — một khuyết tật tinh thể trong đó một nguyên tử silicon nằm giữa hai vị trí carbon bị khuyết. Spin điện tử liên kết với khuyết tật này tạo thành hệ hai mức có thể dùng làm qubit.

Trên bề mặt kim cương, nhóm phủ một lớp aluminum nitride (AlN) dày khoảng 1,4 micromet. Các điện cực interdigital transducer, hay IDT, được tạo trên lớp này. Khi nhận tín hiệu microwave, AlN chuyển năng lượng điện thành biến dạng cơ học và IDT phát ra surface acoustic wave (SAW) — sóng âm lan dọc bề mặt vật liệu.

Hai IDT được bố trí để hội tụ các sóng âm vào vùng chứa một SiV nằm khoảng 100 nm dưới giao diện AlN–kim cương. Một mode SAW cung cấp trường “dressing” liên tục; mode còn lại được dùng làm tín hiệu probe để điều khiển và đo spin.

Trong thí nghiệm, splitting giữa hai trạng thái spin trần được điều chỉnh bằng từ trường ngoài tới vùng tần số khoảng 3,4 GHz để cộng hưởng với acoustic drive. Khi trường âm liên tục được bật, hai trạng thái ban đầu |0⟩ và |1⟩ không còn là eigenstate thích hợp của hệ. Chúng trộn với trường drive để tạo thành hai dressed states |+⟩ và |−⟩.

“Dressed” có thể hình dung là qubit không còn đứng một mình mà luôn tương tác với một trường dao động có kiểm soát. Chính sự tương tác liên tục này làm thay đổi cách nhiễu môi trường tác động lên qubit.

Nhiễu từ trường chậm bị đẩy sang ảnh hưởng bậc cao hơn

Ở bare spin, nhiễu từ trường tần số thấp trực tiếp làm thay đổi splitting giữa hai mức năng lượng, khiến pha lượng tử trôi đi theo thời gian. Với dressed states, cùng nhiễu đó tác động theo một hướng khác trong cơ sở lượng tử mới và ảnh hưởng của nó được suy giảm.

Trong mô hình của nhóm, biên độ nhiễu hiệu dụng ở chế độ off-resonant bị giảm theo một quan hệ bậc hai đối với noise amplitude. Nói đơn giản, trường âm liên tục khiến những dao động từ trường chậm khó kéo tần số qubit đi qua lại như trước.

Để đo hiệu quả, nhóm thực hiện Ramsey interferometry. Với bare states, họ thu được T₂^* = 680 ± 40 ns. Khi tạo dressed states với dressing splitting khoảng 76 MHz, T₂^* tăng lên 2,2 ± 0,2 µs — hơn ba lần.

So sánh này thậm chí diễn ra trong điều kiện không thuận lợi cho dressed state: nhiệt độ tại sample stage trong phép đo dressed state khoảng 250 mK, cao hơn mức 45 mK ở phép đo bare state. Trường acoustic liên tục tạo thêm nhiệt, nhưng coherence vẫn dài hơn đáng kể, là bằng chứng cho thấy cơ chế noise suppression đủ mạnh để bù cho bất lợi đó.

Một phép spin echo bổ sung trên dressed state cho T₂ = 3,1 ± 0,8 µs, không khác quá lớn so với T₂^* không có refocusing pulse. Nhóm cho rằng điều này gợi ý giới hạn còn lại có thể đến từ nhiễu nhanh hơn microsecond hoặc từ quá trình decay của trạng thái, thay vì loại nhiễu chậm mà spin echo xử lý tốt.

“Âm thanh tí hon” ở đây không phải âm thanh mà tai người nghe được

Phonon thường được gọi nôm na là “hạt âm thanh”, nhưng cần hiểu đúng phạm vi của phép so sánh. Đây là lượng tử của dao động cơ học trong vật rắn, không phải sóng âm truyền trong không khí ở tần số con người nghe được.

SAW trong thiết bị Harvard có bước sóng khoảng 3 micromet và hoạt động ở vùng gigahertz. Nhóm đặt toàn bộ mẫu trong dilution refrigerator với nhiệt độ cơ sở khoảng 100 mK. Mức lạnh này cần thiết vì các phonon nhiệt ở nhiệt độ cao hơn có thể kích thích chuyển mức quỹ đạo của SiV và phá coherence nhanh.

Ở SiV, tương tác với strain đặc biệt mạnh. Đó là lý do nhóm có thể điều khiển spin hiệu quả bằng biến dạng cơ học thay vì chỉ bằng từ trường microwave như nhiều nền tảng spin khác.

Cùng hệ thống còn xoay spin với tốc độ tới 800 MHz

Bảo vệ coherence không phải kết quả duy nhất. Khi tăng acoustic drive, nhóm quan sát coherent dynamics với Rabi frequency lên tới khoảng 800 MHz ở nhiệt độ cryogenic. Theo paper, đây là Rabi rate cao nhất từng được báo cáo cho việc điều khiển trực tiếp cộng hưởng một SiV spin bằng cơ học.

Rabi frequency cho biết tốc độ qubit có thể được xoay có kiểm soát giữa hai trạng thái. Tốc độ cao hơn có thể giúp thực hiện operation nhanh hơn so với thời gian decoherence, một điều quan trọng cho gate fidelity.

Tuy nhiên, ở drive mạnh trên 100 MHz, tín hiệu bắt đầu xuất hiện hành vi đa tần và beating phức tạp mà mô hình hai mức đơn giản không giải thích đầy đủ. Nhóm nêu một số nguyên nhân có thể, gồm pulse SAW không hoàn toàn vuông và đáp ứng phi tuyến của AlN. Vì vậy con số 800 MHz là bằng chứng về khả năng điều khiển rất nhanh, nhưng không nên đọc thành “gate lượng tử 800 MHz đã sẵn sàng cho processor”.

Vì sao phonon đáng quan tâm cho mạng lượng tử trên chip?

Trong quantum network, một node cần giữ thông tin đủ lâu và một kênh cần đưa thông tin tới node khác. Photon là lựa chọn tự nhiên cho khoảng cách xa vì ánh sáng truyền tốt trong sợi quang. Nhưng trên chip, phonon có một số lợi thế khác.

Ở cùng tần số, bước sóng phonon ngắn hơn nhiều so với photon, nên resonator và waveguide cơ học có thể nhỏ hơn. Phonon cũng tương tác với nhiều hệ lượng tử khác nhau, từ spin defect trong kim cương và silicon carbide tới superconducting qubit. Điều đó khiến phononics trở thành một ứng viên cho các interface lai giữa nhiều loại qubit.

Ý tưởng của nhóm Harvard là dùng cùng hạ tầng phononic cho hai nhiệm vụ: phonon trong cavity hoặc waveguide truyền quantum state giữa các spin, còn một acoustic field liên tục giữ các spin ở dressed state ít nhạy với nhiễu. Thay vì phải tắt cơ chế bảo vệ mỗi khi muốn qubit tương tác với mạng, lớp bảo vệ trở thành một phần của chính interface cơ học.

Đây chưa phải cách làm quantum computer nói chung “sống lâu hơn”

Phạm vi của kết quả cần được giữ khá hẹp. Nghiên cứu chỉ trình diễn một SiV spin qubit trong một thiết bị cryogenic. Nó không tạo một processor nhiều qubit, chưa thực hiện gate hai qubit qua phonon và chưa chứng minh error rate của một thuật toán lượng tử được cải thiện.

Coherence time 2,2 µs cũng không phải kỷ lục tuyệt đối giữa mọi nền tảng qubit. Những loại qubit khác có thể giữ coherence lâu hơn nhiều. Giá trị của thí nghiệm nằm ở sự tương thích: bảo vệ coherence bằng một cơ chế cơ học vẫn cho phép spin tương tác với phonon — đúng loại hạt mà hệ thống tương lai muốn dùng làm bus truyền thông tin.

Bản thân acoustic drive cũng gây heating. Paper cho biết SiV cần được giữ dưới khoảng 1 K để tránh cơ chế decoherence do phonon quỹ đạo trở nên mạnh; vì vậy tăng drive không thể vô hạn. Nhóm quan sát coherence giảm trở lại ở dressing amplitude lớn và cho rằng thermal phonon cùng coupling tới các orbital state phía trên có thể là những giới hạn.

Thiết bị hiện tại còn có bandwidth của IDT khoảng 100 MHz, hạn chế vùng tần số có thể điều khiển. Các tác giả đề xuất những vật liệu piezoelectric hiệu quả hơn, chẳng hạn lithium niobate, để tăng hiệu suất acoustic drive và mở rộng bandwidth.

Bước tiếp theo là để phonon vừa bảo vệ vừa thực sự kết nối qubit

Nhóm đã chứng minh ba thành phần cần thiết trong cùng nền tảng: SiV có thể được đưa vào dressed state bằng acoustic field, trạng thái đó giữ coherence lâu hơn và vẫn có thể được điều khiển bằng phonon. Phần còn thiếu là ghép nó với phononic cavity hoặc waveguide ở chế độ lượng tử để trao đổi một phonon đơn giữa các node.

Đó sẽ là phép thử quan trọng hơn việc kéo T₂^* thêm vài microsecond trong một qubit độc lập. Một network hữu ích cần chứng minh rằng quantum state có thể rời một spin, đi qua mode cơ học, tới spin khác và vẫn giữ fidelity đủ cao trong khi cơ chế dressing hoạt động.

Nếu làm được, “âm thanh tí hon” trong thí nghiệm này sẽ không chỉ là một lớp chống nhiễu. Nó sẽ vừa là đường truyền, vừa là phần giúp quantum memory tồn tại đủ lâu để đường truyền đó có ý nghĩa.

Nguồn: Nature Physics — All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit; Harvard SEAS — Qubits ‘Dressed’ For Success; arXiv — bản preprint của nghiên cứu.