Forskere kobler kunstigt atom til akustisk resonator

Forskere fra Rusland og Storbritannien har demonstreret et kunstigt kvantesystem, hvor en kvantebit interagerer med en akustisk resonator i kvantestyret. Dette gør det muligt at anvende kvanteoptikprincipper i undersøgelsen af ​​akustiske bølger og muliggør en alternativ tilgang til kvantecomputerdesign baseret på akustik. Det kan også gøre kvantecomputere mere stabile og kompakte. Papiret, der rapporterede resultaterne, blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi er de første til at demonstrere en vekselvirkning mellem en qubit og en overfladeakustisk bølgeresonator i kvantestyret. Tidligere har resonatorer af denne art blev undersøgt, men uden en qubit. Ligeledes, qubits med overfladeakustiske bølger blev undersøgt, men det var løbende bølger, uden resonator. Kvantregimet blev demonstreret på bulkresonatorer, men det gik ikke langt, måske på grund af vanskeligheder ved fremstilling. Vi brugte en plan struktur fremstillet med eksisterende teknologier, "siger Aleksey Bolgar, forsker ved MIPT's Artificial Quantum Systems Lab, hvor undersøgelsen blev gennemført.

Forskerne studerede interaktionen mellem en superledende qubit, en transmon, med akustiske overfladebølger i en resonator (figur 1). Transmonen opfører sig som et kunstigt atom - det vil sige den har et antal energiniveauer (figur 2) og undergår overgange mellem dem. Den konventionelle mikrobølge tilgang er at have en chip, der holder både qubit og en mikrobølge resonator, der understøtter og forstærker bølgen. I denne opsætning, qubit kan interagere med resonatoren enten ved at absorbere en foton fra den og gå ind i en ophidset tilstand eller ved at udsende en foton i den og vende tilbage til grundtilstanden, forudsat at fotonfrekvensen svarer til qubitens overgangsfrekvens. Resonatorens resonansfrekvens varierer afhængigt af qubitens tilstand. Derfor, ved at ændre resonatoregenskaber, det er muligt at læse oplysninger fra qubit.

En alternativ tilgang er for nylig dukket op. I stedet mikrobølgestråling (fotoner), den bruger mekaniske excitationer, eller fononer, i form af akustiske bølger. Denne kvanteakustiske tilgang er blevet udviklet i langt mindre grad, sammenlignet med sin mikrobølgeovn, men det har en række fordele.

Da akustiske bølger formerer sig 100, 000 gange langsommere end lys, deres bølgelængde er derfor kortere. Størrelsen af ​​en resonator skal "passe" til den anvendte bølgelængde. I et mikrobølge kvante system, bølgelængden er i bedste fald cirka 1 centimeter. Det betyder, at resonatoren skal være temmelig stor, men jo større den er, jo flere fejl det har, da de uundgåeligt er til stede på chipens overflade. På grund af disse mangler, levetiden for en qubit -tilstand er kort, forringe store kvanteberegninger og vanskeliggøre oprettelsen af ​​kvantecomputere. Fra nu af, verdensrekorden for den længste levetid er omkring 100 mikrosekunder, eller en ti-tusindedel af et sekund. Under den akustiske tilgang, bølgelængden svarer til omtrent 1 mikrometer, så det er muligt at montere resonatorer af høj kvalitet på kun 300 mikrometer på chippen.

Et andet problem med mikrobølger er, at de lange bølgelængder gør det umuligt at sætte to qubits i en resonator for at muliggøre interaktion ved forskellige frekvenser. Som resultat, en separat resonator er nødvendig for hver qubit (se figur 3). I den akustiske tilgang, en mekanisk resonator kan rumme flere qubits med lidt forskellige overgangsfrekvenser. Dette betyder, at en kvantechip baseret på lydbølger ville være meget mindre end dem, der er tilgængelige nu. I øvrigt, akustodynamik kunne løse spørgsmålet om kvantesystemfølsomhed over for elektromagnetisk støj.

Forfatterne af papiret brugte en resonator til overfladeakustiske bølger. Disse ligner noget til havbølger, men formerer sig i faste stoffer. Figur 4 viser den chip, der blev oprettet i undersøgelsen. Et aluminiumskredsløb afsættes på et piezoelektrisk substrat fremstillet af kvarts. Kredsløbet består af en transmon, en resonator, og to interdigital transducere. De to transducere fungerer som sender og modtager. Mellem dem, der er et piezoelektrisk lag lavet af et materiale, der omdanner mekanisk belastning til elektricitet og omvendt. En akustisk overfladebølge genereret på det piezoelektriske materiale fanges mellem resonatorens to Bragg -gitre. Qubit, eller transmon, indeholdt i resonatoren har to energiniveauer, og qubit -kapacitansen implementeres som interdigital -transducere. Formålet med undersøgelsen var at vise, at qubit kan interagere med resonatoren, bliver ophidset og afslappet, som et kvantesystem ville. Målingerne blev foretaget i en kryostat under temperaturer i titalls millikelvin.

Et karakteristisk træk ved kvantestyret er den såkaldte undgåede krydsning af energiniveauer (figur 5). Overgangsfrekvensen for qubit kan indstilles via et eksternt magnetfelt - for at muliggøre dette, transmon er udstyret med et SQUID magnetometer. Hvis resonatorens frekvens falder sammen med qubit -overgangsfrekvensen, energispaltning observeres i energispektret for qubit -det vil sige, en magnetisk fluxværdi svarer til to karakteristiske overgangsfrekvenser. Forskerne observerede dette fænomen i deres chip og viste, at transmon og den akustiske resonator interagerer i kvantestyret.

Det grundlæggende mål med denne forskning er at demonstrere, at fænomener og effekter af kvanteoptik også gælder for akustik. Ud over, det giver en alternativ måde at bygge en kvantecomputer på. På trods af mikrobølgebaserede grænseflader, der opnår et imponerende antal 50 qubit, hvilket betyder, at kvanteakustik stadig har en lang vej at gå, sidstnævnte tilgang har mange fordele, der kan komme til nytte i fremtiden.