Onderzoekers uit Rusland en Groot-Brittannië hebben een kunstmatig kwantumsysteem gedemonstreerd waarin een kwantumbit interageert met een akoestische resonator in het kwantumregime. Dit maakt het mogelijk om kwantumoptica-principes toe te passen bij de studie van akoestische golven en maakt een alternatieve benadering van kwantumcomputerontwerp op basis van akoestiek mogelijk. Het zou kwantumcomputers ook stabieler en compacter kunnen maken. De paper die de resultaten rapporteert, is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We zijn de eersten die een interactie aantonen tussen een qubit en een akoestische oppervlaktegolfresonator in het kwantumregime. Eerder, dit soort resonatoren werden bestudeerd, maar zonder qubit. Hetzelfde, qubits met akoestische oppervlaktegolven werden bestudeerd, maar dat waren stromende golven, zonder resonator. Het kwantumregime werd gedemonstreerd op bulkresonatoren, maar dit ging niet ver, misschien als gevolg van moeilijkheden bij de fabricage. We gebruikten een vlakke structuur vervaardigd met bestaande technologieën, " zegt Aleksey Bolgar, onderzoeker bij MIPT's Artificial Quantum Systems Lab, waar het onderzoek is uitgevoerd.

De onderzoekers bestudeerden de interactie van een supergeleidende qubit, een transmon, met akoestische oppervlaktegolven in een resonator (figuur 1). De transmon gedraagt ​​zich als een kunstmatig atoom, dat wil zeggen, het heeft een aantal energieniveaus (figuur 2) en ondergaat daartussen overgangen. De conventionele benadering met microgolven is om één chip te hebben die zowel de qubit als een microgolfresonator bevat die de golf ondersteunt en versterkt. In deze opstelling, de qubit kan interageren met de resonator, hetzij door er een foton van te absorberen en in een aangeslagen toestand te komen, hetzij door er een foton in uit te zenden en terug te keren naar de grondtoestand, op voorwaarde dat de fotonfrequentie overeenkomt met de overgangsfrequentie van de qubit. De resonantiefrequentie van de resonator zelf varieert afhankelijk van de toestand van de qubit. Daarom, door de resonatorkarakteristieken te veranderen, het is mogelijk om informatie uit de qubit te lezen.

Er is onlangs een alternatieve benadering ontstaan. In plaats daarvan microgolfstraling (fotonen), het maakt gebruik van mechanische excitaties, of fononen, in de vorm van akoestische golven. Deze kwantum akoestische benadering is in veel mindere mate ontwikkeld, vergeleken met zijn tegenhanger in de magnetron, maar het heeft een aantal voordelen.

Aangezien akoestische golven zich 100 voortplanten, 000 keer langzamer dan licht, hun golflengte is dienovereenkomstig korter. De grootte van een resonator moet "passen" bij de gebruikte golflengte. In een microgolfkwantumsysteem, de golflengte is op zijn best ongeveer 1 centimeter. Dit betekent dat de resonator vrij groot moet zijn, maar hoe groter het is, hoe meer gebreken het heeft, omdat ze onvermijdelijk aanwezig zijn op het oppervlak van de chip. Door deze gebreken de levensduur van een qubit-staat is kort, grootschalige kwantumberekeningen aantasten en de creatie van kwantumcomputers bemoeilijken. Vanaf nu, het wereldrecord voor de langste levensduur is ongeveer 100 microseconden, of een tienduizendste van een seconde. Onder de akoestische benadering, de golflengte is ongeveer 1 micrometer, het is dus mogelijk om hoogwaardige resonatoren van slechts 300 micrometer op de chip te plaatsen.

Een ander probleem met microgolven is dat de lange golflengten het onmogelijk maken om twee qubits in één resonator te stoppen om interactie op verschillende frequenties mogelijk te maken. Als resultaat, voor elke qubit is een aparte resonator nodig (zie figuur 3). In de akoestische benadering één mechanische resonator is geschikt voor meerdere qubits met enigszins verschillende overgangsfrequenties. Dit betekent dat een kwantumchip op basis van geluidsgolven veel kleiner zou zijn dan de nu beschikbare. Bovendien, akoestodynamica zou het probleem van de gevoeligheid van het kwantumsysteem voor elektromagnetische ruis kunnen oplossen.

De auteurs van het artikel gebruikten een resonator voor akoestische oppervlaktegolven. Deze lijken enigszins op zeegolven, maar planten zich voort in vaste stoffen. Figuur 4 toont de chip die in het onderzoek is gemaakt. Een aluminium circuit wordt afgezet op een piëzo-elektrisch substraat van kwarts. De schakeling bestaat uit een transmon, een resonator, en twee interdigitale transducers. De twee transducers dienen als zender en ontvanger. Tussen hen, er is een piëzo-elektrische laag gemaakt van een materiaal dat mechanische spanning omzet in elektriciteit en vice versa. Een akoestische oppervlaktegolf die op het piëzo-elektrische materiaal wordt gegenereerd, wordt opgevangen tussen de twee Bragg-roosters van de resonator. de qubit, of transmon, in de resonator heeft twee energieniveaus, en de qubit-capaciteit is geïmplementeerd als interdigitale transducers. Het doel van de studie was om aan te tonen dat de qubit kan interageren met de resonator, opgewonden en ontspannen worden zoals een kwantumsysteem dat zou doen. De metingen zijn gedaan in een cryostaat bij temperaturen in de tientallen millikelvins.

Kenmerkend voor het kwantumregime is de zogenaamde vermeden overschrijding van energieniveaus (figuur 5). De overgangsfrequentie van de qubit kan worden afgestemd via een extern magnetisch veld - om dit mogelijk te maken, de transmon is uitgerust met een SQUID-magnetometer. Als de frequentie van de resonator samenvalt met de qubit-overgangsfrequentie, energiesplitsing wordt waargenomen in het energiespectrum van de qubit, dat wil zeggen, één magnetische fluxwaarde komt overeen met twee karakteristieke overgangsfrequenties. De onderzoekers observeerden dit fenomeen in hun chip en toonden aan dat de transmon en de akoestische resonator interageren in het kwantumregime.

Het fundamentele doel van dit onderzoek is om aan te tonen dat de verschijnselen en effecten van kwantumoptica ook van toepassing zijn op de akoestiek. In aanvulling, het biedt een alternatieve manier om een ​​kwantumcomputer te bouwen. Ondanks op microgolven gebaseerde interfaces die een indrukwekkend aantal van 50 qubit bereiken, wat betekent dat kwantumakoestiek nog een lange weg te gaan heeft, deze laatste benadering heeft tal van voordelen die in de toekomst van pas kunnen komen.