En fononisk krystal koblet til en transmissionslinje via et kunstigt atom

Forskere har for nylig vist samspillet mellem superledende qubits; den grundlæggende enhed af kvanteinformation, med akustiske overfladebølgeresonatorer; en overfladebølgeækvivalent til krystalresonatoren, i kvantefysik. Dette fænomen åbner et nyt forskningsfelt, defineret som kvanteakustodynamik for at muliggøre udvikling af nye typer kvanteindretninger. Hovedudfordringen i dette projekt er at fremstille akustiske resonatorer i gigahertz-området. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Natur Kommunikationsfysik , Aleksey N. Bolgar og et team af fysikere i kunstige kvantesystemer og fysik, i Rusland og Storbritannien, detaljerede strukturen af ​​en væsentligt forenklet hybrid akustodynamisk enhed ved at erstatte en akustisk resonator med en fononisk krystal eller akustisk metamateriale.

Krystallen indeholdt smalle metalliske striber på en kvartsoverflade, og dette kunstige atom eller metalobjekt interagerede igen med en mikrobølgetransmissionslinje. I teknik, en transmissionslinje er et stik, der overfører energi fra et punkt til et andet. Forskerne brugte opsætningen til at koble to frihedsgrader af forskellig karakter, dvs. akustisk og elektromagnetisk, med et enkelt kvanteobjekt. Ved at bruge et spredningsspektrum af udbredende elektromagnetiske bølger på det kunstige atom visualiserede de akustiske tilstande af den fononiske krystal. Enhedens geometri tillod dem at indse virkningerne af kvanteakustik på et enkelt og kompakt system.

Superledende kvantesystemer

Superledende kvantesystemer er lovende for kvanteteknologier inden for kvanteinformatik og er grundlæggende for nye forskningsretninger inden for kvanteoptik og kunstige atomer. Disse systemer kan nemt opnå et stærkt koblingsregime selv til makroskopiske kredsløbselementer. Flere forskergrupper havde opnået kvanteakustodynamik (QAD) ved hjælp af kunstige atomer, hvor elektromagnetiske bølger kan erstattes med akustiske versioner og fotoner af fononer. I dette arbejde, Bolgar et al. studeret et hybridkredsløb, hvor en superledende qubit var stærkt koblet samtidigt til to systemer af forskellig natur:akustisk og elektromagnetisk, med en fononisk krystal og en endimensionel (1-D) transmissionslinje af elektromagnetiske bølger.

Et nøgleelement i QAD-eksperimenter inkluderer en mekanisk resonator, som enten kan være en bulkresonator eller en overflade akustisk bølge (SAW) resonator, der spiller en lignende rolle som et hulrum i kvanteelektrodynamik (QED). Akustiske elementer kan gøres kompakte på grund af deres bølgelængde, som typisk er fem størrelsesordener kortere end elektromagnetiske bølger. Fysikere havde udført banebrydende eksperimenter med bulk akustiske resonatorer koblet til superledende qubits. Imidlertid, at integrere sådanne bulkresonatorer med elektronik er ikke ligetil. I denne eksperimentelle opsætning, Bolgar et al. brugte en qubit til at spille rollen som det mellemliggende system ved at forbinde de akustiske og elektromagnetiske systemer. Forskerne brugte en enkelt lang fononisk krystal til akustik af enheden for at give opsætningen en betydelig teknisk fordel.

Enhedens layout

Holdet udviklede enheden på et piezoelektrisk substrat af stabil kvarts. Enheden indeholdt en transmon-type qubit, kapacitivt koblet til en mikrobølgetransmissionslinje. I superledende kvanteberegning, en transmon er en type superledende ladnings-qubit designet til reduceret følsomhed over for ladestøj. Enheden indeholdt en interdigital transducer (IDT) med lige store elektroder i form af metalliske striber. IDT-kapacitansen var proportional med antallet af elektrodepar. Kapacitanselektroderne var forbundet til en superledende kvanteinterferensanordning (SQUID) sløjfe; en følsom detektor for magnetisk flux og felt - bruges til at indstille qubit-energierne. Den periodiske struktur af de metalliske striber i opsætningen dannede en fononisk krystal (eller akustisk metamateriale), hvor hver stribe fungerede som en ekstra masse på kvartsoverfladen. Gruppehastigheden af ​​bølgerne var meget mindre end lydhastigheden i opsætningen, gør det muligt for bølgerne effektivt at blive begrænset i enheden.

Den interdigital transducer (IDT), der blev brugt i opsætningen, genererede overfladeakustiske bølger (SAW), der forplanter sig i længderetningen. I modsætning til resonatorer, bølgerne blev ikke reflekteret ved grænserne, men sivede frit ud og som et resultat, de tilladte tilstande i systemet var kvasinormale, dvs. dæmpede svingninger. Holdet beskrev derefter hybridsystemets Hamiltonian (en funktion, der repræsenterer den samlede energi i et system). I det eksperimentelle system, det kunstige atom koblet til en fononisk krystal interagerede med den elektromagnetiske bølge i transmissionslinjen og holdet beskrev dynamikken i de spredte bølger på det kunstige atom, som de målte ved hjælp af transmissionsspektroskopi. Værket indeholdt information om atomets interaktion med fononiske tilstande.

De eksperimentelle resultater

De eksperimentelle forhold gjorde det muligt for termiske fluktuationer af opsætningen at være et godt stykke under energien af ​​overfladeakustiske fononer, som ligger i gigahertz frekvensområdet. Forskerne opdagede atom-bølge-interaktionen, som en ændring i fase og amplitude af det transmitterede signal tæt på qubit -resonansfrekvensen. De forstærkede det transmitterede signal ved hjælp af kryogene forstærkere og stuetemperaturforstærkere og indsamlede resultaterne under en række forskellige magnetfelter for at finde energideling af qubit. Resultaterne af spektrallinjesplittelser demonstrerede samspillet mellem qubit og fire kvasinormale tilstande (QNM'er) af den fononiske krystal ved fire forskellige frekvenser. De høje kvalitetsfaktorer (også kaldet Q-faktorer), der blev brugt i eksperimentet, steg med de stigende metalliske striber, hvor højere Q indikerede langsommere spredning af svingningerne. Denne observation blev også understøttet via simuleringer.

Den bredere indvirkning på kvanteakustik

På denne måde Aleksey N. Bolgar og kolleger demonstrerede eksperimentelt samspillet mellem en qubit og overflade akustisk bølge (SAW) fononisk krystal, dannet via en periodisk metallisk struktur på overfladen af ​​et kvartsmateriale. Holdet fandt den fononiske krystals tilstande i kredsløbet ved at karakterisere spredningen af ​​elektrodynamiske bølger på et to-niveau kunstigt atom stærkt koblet til krystallen. De viste atomets interaktion med fire kvasinormale tilstande af krystallen. Geometrien af ​​den konstruerede enhed var enkel og robust og er mere kompakt end eksisterende omfangsrige opsætninger. Resultaterne af dette arbejde vil bidrage til at udvikle enheder, der er egnet til grundlæggende kvanteakustik.

© 2020 Science X Network