Phonon-medieret kvantetilstandsoverførsel og fjern qubit-sammenfiltring

Kvantinformationsplatforme er baseret på qubits, der taler med hinanden, og fotoner (optisk og mikrobølge) er den foretrukne transportør - til dato, at overføre kvantetilstande mellem qubits. Imidlertid, i nogle solid-state systemer, akustiske vibrationsegenskaber ved selve materialet kendt som fononer kan være fordelagtige. I en nylig undersøgelse offentliggjort den Videnskab fremskridt , B. Bienfait og kolleger på de tværfaglige afdelinger inden for molekylær teknik, Fysik og materialevidenskab i USA beskrev den deterministiske emission og indfangning af rejsende (omrejsende) fononer gennem en akustisk kommunikationskanal, at tillade fononbaseret sammenhængende overførsel af kvantetilstande.

Forskerne lettede fononoverførsel fra et superledende qubit (kunstigt atom) til et andet og observerede kvanteindviklingen (kvantetilstand for hver partikel, der ikke kan beskrives uafhængigt af den anden tilstand) af de to qubits i en akustisk kanal under undersøgelsen. Bienfait et al. gav en ny vej til at koble hybrid kvante-solid-state-systemer ved hjælp af akustiske overfladebølger som 'gode vibrationer' i kvantekommunikation til fremtidige fononiske applikationer.

Fononer, eller mere specifikt, overflade akustiske bølge fononer, foreslås som en metode til sammenhængende at koble fjerne kvantesystemer i fast tilstand. For eksempel, individuelle fononer i en resonant struktur kan styres og detekteres ved hjælp af superledende qubits (beskrevet som makroskopisk, litografisk definerede kunstige atomer) til at generere og måle komplekse, stationære fonontilstande sammenhængende. I det nuværende arbejde, Bienfait et al. rapporterede den deterministiske emission og indfangning af akustiske bølgefononer på vandoverfladen for at muliggøre kvanteindvikling af to superledende qubits i et eksperimentelt setup.

De brugte en 2 mm lang akustisk kvantekommunikationskanal i eksperimenterne, som tillod en forsinkelseslinje på cirka 500 nanosekunder, at demonstrere emission og genfangst af fononer. Forskerne observerede kvantetilstandsoverførsel mellem de to superledende qubits med en effektivitet på 67 procent og ved hjælp af delvis overførsel af et fonon, de genererede et sammenfiltret Bell -par med en troskab på 84 procent.

Elektromagnetiske bølger har spillet en enestående rolle som bærere af kvanteinformation mellem fjerne kvanteknudepunkter til distribueret kvanteinformationsbehandling. Tidligere kvanteeksperimenter har brugt mikrobølgefotoner til at demonstrere deterministisk og sandsynlig fjerntrafviklingsgenerering mellem superledende qubits for at nå sammenfiltrering fra 60 til 95 procent. For nogle solid-state kvante systemer, såsom elektrostatisk definerede kvantepunkter eller elektroniske spins, en kvantegenskab af elektroner (også kendt som spintronics), stærke interaktioner med værtsmaterialet har gjort akustiske vibrationer (eller fononer) til et overlegen alternativ i forhold til fotonkandidaterne.

For eksempel, overfladeakustisk bølge (SAW) -fononer foreslås som et universelt medium til parring af fjerntliggende kvantesystemer. Disse fononer kan også effektivt konvertere mellem mikrobølge- og optiske frekvenser, forbinder mikrobølge qubits til optiske fotoner. Som resultat, mange forslag har fulgt eksperimenter for at vise den sammenhængende emission og påvisning af rejse -SAW -fononer med en superledende qubit, med lyd, der indtager lysets rolle. Forskere har brugt rejsende SAW -fononer til at overføre elektroner mellem kvantepunkter for at transportere enkeltelektroner, koblet til kvælstof-ledige centre og endda drive siliciumcarbid-centrifugeringer. I tidligere arbejde, forskere havde også konstrueret stående bølge SAW-fononer koherent koblet til superledende qubits til on-demand-oprettelse, registrering og kontrol af kvanteakustiske tilstande.

Derfor, i det nuværende arbejde, Bienfait et al. brugte rejse (omrejsende) SAW -fononer til at realisere overførslen af ​​kvantetilstande mellem to superledende qubits eksperimentelt. I den akustiske del af enheden, de brugte en SAW resonator med en effektiv Fabry-Pérot spejlafstand på 2 mm, at generere et enkeltpas-rejsende fonon med en rejsetid på ca. 0,5 mikrosekunder (µs). Af design, kobling mellem qubit- og Fabry-Pérot-tilstand i systemet tillod, at fononen blev fuldstændigt injiceret i den akustiske kanal. Bienfait et al. derefter koblet resonatoren til to frekvensindstillelige superledende "Xmon" qubits, Q1 og Q2 (hvor 'Xmon qubits' først blev introduceret af Barends et al), mens de styrer deres kobling elektronisk ved hjælp af to andre afstembare koblinger, G1 og G2. Forskerne kunne skifte hver kobler fra maksimal kobling til slukket på et par nanosekunder for at isolere qubits.

Forskerne konstruerede de afstembare koblinger, qubits og deres respektive kontrol- og aflæsningslinjer på et safirsubstrat, mens SAW -resonatoren konstrueres på et separat lithiumniobatsubstrat. For SAW -resonatoren, de brugte to akustiske spejle med to Bragg-spejle (dielektriske spejle) på hver side af den centrale akustiske emitter-modtageropsætning. For den akustiske emitter, de brugte en interdigital transducer (IDT) forbundet til en fælles elektrisk port.

Forskerne påførte en elektrisk impuls til IDT for at danne to symmetriske SAW -impulser, der rejste i modsatte retninger, afspejler spejlene for at gennemføre en rundtur i 508 nanosekunder. Bienfait et al kontrollerede koblingen af ​​qubits til IDT, for at lette tidsdomæne formet udsendelse af rejsende fononer ind i resonatoren. For at karakterisere emission i eksperimenterne, de begejstrede qubit først og overvågede dets befolkning i ophidset tilstand, inden de tog den forfaldne eksitationstilstand i betragtning som et produkt af fononemission.

Forskerne viste derefter eksperimentelt emission og indfangning af en rejsende fonon, der anvender en en-qubit, single-phonon "ping-pong" eksperiment ved hjælp af qubit Q1. I forsøget, de sætter kobling G1 til et maksimum, mens de slukker for G2-koblingen for at overvåge befolkningen i ophidset tilstand (P _e ) i 1. kvartal. De viste, at emissionen tog omkring 150 ns, hvorefter P. _e forblev nær nul under fonontransport i den eksperimentelle opsætning. Efter ca. 0,5 µs, Bienfait et al. var i stand til at generobre de tilbagevendende fononer med en indfangningseffektivitet på 67 procent.

Under på hinanden følgende transitter, forskerne observerede et geometrisk fald i indfangningseffektiviteten, som de krediterede tab inden for den akustiske kanal. De udførte derefter kvante procestomografi af en-qubit frigivelses-og-fang-operationen ved at rekonstruere procesmatricen med tiden. Kvanteproces-tomografiteknikken er den mest hensigtsmæssige og effektive ordning til at analysere kvantesystemer, når to-kropsinteraktioner ikke er naturligt tilgængelige.

Derefter, videnskabsmændene demonstrerede interferometrisk karakter af en-qubit fononemissions- og fangstprocessen. Da det er udfordrende at overvåge ordningen for kvanteindvikling og mekanisk superposition under kvantedekoherens (kvanteforfald eller tab af partikels kvanteadfærd), Bienfait et al forberedte Q1 i en overgangstilstand til at udsende et halvfonon og indfangede det igen med Q1 efter en transit. Forskerne definerede indfangning som tidsomvendelse af emission og forudsagde, at de to halve kvanta enten ville forstyrre destruktivt for at forårsage re-excitation af qubit, eller konstruktivt for dens samlede emission i den eksperimentelle opsætning.

Som forudsagt, de viste, at da den reflekterede halve fonon interfererede konstruktivt med den udsendte halvtelefon, der var lagret i Q1 - den samlede energi, der blev overført til SAW -resonatoren, der henviser til, at destruktiv interferens resulterede i re-excitation af qubit. Forskerne brugte en simulering til at inkludere kanaltab og qubit dephasing, at replikere eksperimentelle observationer og krediteret enhver uoverensstemmelse mellem simuleringen og mangler i systemet. På denne måde, Bienfait et al. Brugte den eksperimentelle akustiske kommunikationskanal til at overføre kvantetilstande og generere ekstern sammenfiltring mellem de to qubits.

Forskerne demonstrerede også kvanteswap mellem de to qubits, Q1 og Q2, ved hjælp af opsætningen. Dette var muligt, da forskerne sekventielt kunne gemme op til tre rejsende fononer i SAW -resonatoren. Processen havde en høj loyalitetsrate, og forskerne krediterede eventuelle afvigelser til akustiske tab. Som før, de brugte den akustiske kanal til at generere ekstern kvanteforvikling mellem Q1 og Q2 for at oprette en Bell -tilstand.

På denne måde, Bienfait et al. eksperimentelt viste klare og overbevisende resultater for kontrolleret frigivelse og indfangning af rejsende fononer i en begrænset Fabry-Pérot-resonator, primært begrænset af akustiske tab. De demonstrerede, at emissions- og indfangningsprocesserne ikke blev bestemt af resonatorens længde, så de samme processer var gældende for en ikke-resonant akustisk enhed. I alt, forskerne detaljerede processer til eksperimentelt at generere high fidelity -sammenfiltring mellem to qubits. Disse resultater vil danne et skridt fremad for at realisere grundlæggende kvantekommunikationsprotokoller med fononer.

© 2019 Science X Network