Kobling af qubits til lyd i et multimode hulrum

I en nylig undersøgelse, forskere ved University of Colorado har løst fonon Fock-tilstande i spektret af en superledende qubit koblet til et multimode akustisk hulrum. Focktilstande (eller taltilstande) er kvantetilstande med et klart defineret antal partikler. Disse tilstande spiller en afgørende rolle i den anden kvantiseringsformulering af kvantemekanikken.

I deres papir, udgivet i Fysisk gennemgang X , forskerne skitserer, hvordan de koblede en qubit til overfladeakustiske bølger og med succes konstruerede en skarp frekvensafhængighed i qubit-fonon-interaktionen. Interferensen som følge af denne proces genererede en højkontrast-frekvensstruktur i qubit-phonon-interaktionen.

"Inspireret af den vellykkede brug af qubits til at kontrollere kvantetilstande af lys, vi ønskede at udforske, hvad vi kan opnå ved at koble qubits til lyd, " Lucas Sletten, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi spurgte os selv:Er det muligt at løse den lyd i en solid er, faktisk, kvantiseret? Kan lyd bruges til at lagre og behandle kvanteinformation? Kan disse partikellignende mængder af lyd, kaldet fononer, tælles uden at ødelægge dem? Hvis så, kunne du spille dette trick med mere end én tilstand ad gangen? Og mere generelt, hvad er muligt med lyd, der ikke kan lade sig gøre med lys?"

Sletten og hans kolleger brugte en enhed bestående af en superledende qubit, der interagerer stærkt med fononer fanget i et akustisk hulrum. Enheden blev placeret inde i en mikrobølgeresonator, der fungerer som en følsom sonde for qubit. Dette gjorde det muligt for forskerne at måle og kontrollere qubit, mens man observerer dets interaktion med fononer.

"Fononerne lever i en akustisk resonator, der fungerer som et musikinstrument, men ved frekvenser 20 oktaver over den højeste tone på et klaver, " sagde Sletten. "Ligesom et instrument, der er forskellige noter, eller tilstande, der kan leve i vores resonator. Den elektriske analog af sådan en multi-mode resonator ville være mange meter lang og et mareridt at implementere på chip."

En tilstand i resonatoren svarer til et helt antal krusninger, der passer nøjagtigt ind i kassen, eller hulrum, der begrænser lydbølgerne. At fornemme bevægelsen af ​​de fangede fononer, Sletten og hans kolleger koblede qubitten til den akustiske resonator ved hjælp af en transducer, der omdanner bevægelse til elektrisk strøm. Når lyden exciteres i deres resonator, derfor, qubit ser en strøm, der ændrer dens energi.

"Vi konstruerede et system, der er følsomt nok til, at selv den mest stille lyd, der tillades af kvantemekanik, en partikellignende enkelt fonon, flytter vores qubits energi nok til, at vi kan mærke det, sagde Sletten. Desuden denne detektion ødelægger ikke de fononer, vi måler. Vi kan tælle fononer ikke kun for én tilstand af hulrummet, men for flere, demonstrerer, at vi kan drage fuld fordel af vores multi-mode hulrum."

Resultaterne indsamlet af Sletten og hans kolleger viser, at superledende qubits kan interagere med lydbølger stærkt nok til at afsløre lydens kvantenatur, uden at der finder en direkte udveksling af energi sted. Ved at opnå følsomheder høje nok til at bryde en lydbølge i kvantificerede dele, forskerne er rykket et skridt tættere på at opnå fremragende kvantestyring af akustiske systemer.

"En anden indsigt fra vores arbejde er, at lydens langsomhed kan være en værdifuld ressource i konstruktion af kvantesystemer, " sagde Sletten. "Den lange tid, det tager for en fonon at hoppe frem og tilbage mellem spejlene, er det, der tillader hulrummet at understøtte flere tilstande. Derudover vi udnytter en lang forsinkelse indsat i midten af ​​vores transducer for præcist at kontrollere, hvordan qubit'en interagerer med hver tilstand, en afgørende evne til at tælle fononer i et multi-mode hulrum."

I fremtiden, forskningen udført af Sletten og hans kolleger kunne bane vejen for udviklingen af ​​effektive teknikker til at kontrollere akustiske kvantetilstande. I mellemtiden forskerne planlægger at fortsætte med at udforske brugen af ​​fononer i kvantevidenskab.

For eksempel, de vil gerne undersøge, om det er muligt at sammenfiltre flere forskellige fonontilstande ('noter') baseret på deres fælles interaktion med en qubit. Hvis det bekræftes eksperimentelt, dette ville bevise det enorme potentiale af fononer til kvanteinformationsbehandlingsapplikationer.

"Akustiske systemer er også en lovende grænseflade mellem forskellige kvanteplatforme, såsom superledende qubits, kvanteprikker, og optiske fotoner, og kan også vise sig at være effektive værktøjer til at undersøge de typer overfladefysik, der kan begrænse nogle banebrydende kvanteteknologier, " tilføjede Sletten.

© 2019 Science X Network