Kwantuminformatieplatforms zijn gebaseerd op qubits die met elkaar praten en fotonen (optisch en microgolf) zijn de drager bij uitstek - tot nu toe, om kwantumtoestanden tussen qubits over te dragen. Echter, in sommige solid-state systemen, akoestische trillingseigenschappen van het materiaal zelf, bekend als fononen, kunnen voordelig zijn. In een recente studie gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , B. Bienfait en collega's van de interdisciplinaire afdelingen van Molecular Engineering, Physics and Materials Science in de VS beschreef de deterministische emissie en opname van reizende (rondtrekkende) fononen via een akoestisch communicatiekanaal, om op fononen gebaseerde coherente overdracht van kwantumtoestanden mogelijk te maken.

De wetenschappers faciliteerden de overdracht van fononen van de ene supergeleidende qubit (kunstatoom) naar de andere en observeerden de kwantumverstrengeling (kwantumtoestand van elk deeltje die niet onafhankelijk van de toestand van de andere kan worden beschreven) van de twee qubits in een akoestisch kanaal tijdens het onderzoek. Bienfait et al. bood een nieuwe route om hybride kwantum-solid-state-systemen te koppelen met behulp van akoestische oppervlaktegolven als 'goede trillingen' in kwantumcommunicatie voor toekomstige fononische toepassingen.

fononen, of meer specifiek, oppervlakte akoestische golffonons, worden voorgesteld als een methode om verre vastestofkwantumsystemen coherent te koppelen. Bijvoorbeeld, individuele fononen in een resonerende structuur kunnen worden gecontroleerd en gedetecteerd met behulp van supergeleidende qubits (beschreven als macroscopisch, lithografisch gedefinieerde kunstmatige atomen) om complexe, stationaire fonontoestanden coherent. In het huidige werk, Bienfait et al. rapporteerde de deterministische emissie en opname van akoestische golffonons aan het oppervlak om kwantumverstrengeling van twee supergeleidende qubits in een experimentele opstelling mogelijk te maken.

Ze gebruikten een 2 mm lang akoestisch kwantumcommunicatiekanaal in de experimenten, die een vertragingslijn van ongeveer 500 nanoseconden mogelijk maakte, om de emissie en herovering van fononen aan te tonen. De wetenschappers observeerden de overdracht van kwantumtoestanden tussen de twee supergeleidende qubits met een efficiëntie van 67 procent en met behulp van gedeeltelijke overdracht van een fonon, ze genereerden een verstrengeld Bell-paar met een getrouwheid van 84 procent.

Elektromagnetische golven hebben een bijzondere rol gespeeld als dragers van kwantuminformatie tussen verre kwantumknooppunten voor gedistribueerde verwerking van kwantuminformatie. Eerdere kwantumexperimenten hebben microgolffotonen gebruikt om deterministische en probabilistische generatie van verstrengeling op afstand tussen supergeleidende qubits aan te tonen om verstrengelingsgetrouwheden te bereiken variërend van 60 tot 95 procent. Voor sommige solid-state kwantumsystemen, zoals elektrostatisch gedefinieerde kwantumdots of elektronische spins, een kwantumeigenschap van elektronen (ook bekend als spintronica), sterke interacties met het gastheermateriaal hebben akoestische trillingen (of fononen) tot een superieur alternatief gemaakt in vergelijking met de foton-kandidaten.

Bijvoorbeeld, oppervlakte-akoestische golf (SAW) fononen worden voorgesteld als een universeel medium om verre kwantumsystemen te koppelen. Deze fononen kunnen ook efficiënt converteren tussen microgolf- en optische frequenties, het koppelen van microgolfqubits aan optische fotonen. Als resultaat, veel voorstellen hebben experimenten gevolgd om de coherente emissie en detectie van reizende SAW-fonons door een supergeleidende qubit aan te tonen, waarbij geluid de rol van licht overneemt. Wetenschappers hebben reizende SAW-fononen gebruikt om elektronen tussen kwantumstippen over te brengen om afzonderlijke elektronen te transporteren. gekoppeld aan stikstof-leegstand centra en zelfs siliciumcarbide spins aandrijven. In eerder werk, onderzoekers hadden ook staande-golf SAW-fonons ontwikkeld die coherent zijn gekoppeld aan supergeleidende qubits voor de on-demand creatie, detectie en controle van kwantum akoestische toestanden.

Daarom, in het huidige werk, Bienfait et al. gebruikte reizende (rondtrekkende) SAW-fonons om de overdracht van kwantumtoestanden tussen twee supergeleidende qubits experimenteel te realiseren. In het akoestische gedeelte van het apparaat, ze gebruikten een SAW-resonator met een effectieve Fabry-Pérot-spiegelafstand van 2 mm, om een ​​single-pass reizende fonon te genereren met een reistijd van ongeveer 0,5 microseconden (µs). Met opzet, Door koppeling tussen de qubit- en Fabry-Pérot-modus in het systeem kon de fonon volledig in het akoestische kanaal worden geïnjecteerd. Bienfait et al. vervolgens de resonator gekoppeld aan twee frequentie-afstembare supergeleidende "Xmon" qubits, Q1 en Q2 (waar 'Xmon qubits' voor het eerst werden geïntroduceerd door Barends et al), terwijl ze hun koppeling elektronisch regelen met behulp van twee andere afstembare koppelingen, G1 en G2. De wetenschappers konden elke koppeling in een paar nanoseconden van maximale koppeling naar uit schakelen om de qubits te isoleren.

De wetenschappers ontwierpen de afstembare koppelingen, qubits en hun respectieve controle- en uitleeslijnen op een saffiersubstraat terwijl de SAW-resonator wordt geconstrueerd op een afzonderlijk lithiumniobaatsubstraat. Voor de SAW-resonator, ze gebruikten twee akoestische spiegels met twee Bragg-spiegels (diëlektrische spiegels) aan elke kant van de centrale akoestische zender-ontvangeropstelling. Voor de akoestische zender, ze gebruikten een interdigitale transducer (IDT) aangesloten op een gemeenschappelijke elektrische poort.

De wetenschappers pasten een elektrische puls toe op de IDT om twee symmetrische SAW-pulsen te vormen, die in tegengestelde richtingen reisden, weerkaatst op de spiegels om een ​​rondreis te voltooien in 508 nanoseconden. Bienfait et al controleerden de koppeling van qubits aan IDT, om tijddomeinvormige emissie van reizende fononen naar de resonator te vergemakkelijken. Om emissie in de experimenten te karakteriseren, ze bekrachtigden eerst de qubit en volgden de populatie in aangeslagen toestand voordat ze de afnemende toestand van excitatie in aanmerking namen als een product van fonon-emissie.

De wetenschappers toonden vervolgens experimenteel de emissie en opname van een reizend fonon met behulp van een één-qubit, single-phonon "ping-pong" experiment met behulp van qubit Q1. In het experiment, ze zetten koppeling G1 op een maximum terwijl ze de G2-koppeling uitzetten om de populatie in aangeslagen toestand te bewaken (P _e ) van Q1. Ze toonden aan dat de emissie ongeveer 150 ns duurde, waarna P _e bleef bijna nul tijdens fonon-transit in de experimentele opstelling. Na ongeveer 0,5 µs, Bienfait et al. waren in staat om de terugkerende fononen te heroveren met een vangefficiëntie van 67 procent.

Tijdens opeenvolgende transits, de wetenschappers zagen een geometrische afname in de vangstefficiëntie, die zij toeschreven aan verliezen binnen het akoestische kanaal. Vervolgens voerden ze kwantumprocestomografie uit van de release-and-catch-operatie van één qubit door de procesmatrix met de tijd te reconstrueren. De kwantumprocestomografietechniek is het meest geschikte en efficiënte schema om kwantumsystemen te analyseren wanneer interacties tussen twee lichamen niet van nature beschikbaar zijn.

Daarna, de wetenschappers demonstreerden de interferometrische aard van het fonon-emissie- en opnameproces van één qubit. Omdat het een uitdaging is om het schema voor kwantumverstrengeling en mechanische superpositie te volgen tijdens kwantumdecoherentie (kwantumverval of verlies van kwantumgedrag van deeltjes), Bienfait et al bereidden Q1 in een overgangstoestand voor om een ​​half-fonon uit te zenden en legden het na één transit opnieuw vast met Q1. De wetenschappers definieerden vangst als de tijdomkering van emissie en voorspelden dat de twee halve quanta ofwel destructief zullen interfereren om opnieuw excitatie van de qubit te veroorzaken, of constructief voor de totale emissie in de experimentele opstelling.

Als voorspeld, ze toonden aan dat wanneer het gereflecteerde halve fonon constructief interfereerde met het uitgezonden halve fonon dat is opgeslagen in Q1 - de totale energie die wordt overgedragen aan de SAW-resonator, terwijl destructieve interferentie resulteerde in re-excitatie van de qubit. De wetenschappers gebruikten een simulatie om kanaalverlies en qubit-defasering op te nemen, om experimentele waarnemingen te repliceren en eventuele mismatch van de simulatie toe te schrijven aan onvolkomenheden in het systeem. Op deze manier, Bienfait et al. gebruikten het experimentele akoestische communicatiekanaal om kwantumtoestanden over te dragen en verstrengeling op afstand tussen de twee qubits te genereren.

De onderzoekers toonden ook quantum-swap aan tussen de twee qubits, Q1 en Q2, de opstelling gebruiken. Dit was mogelijk omdat de wetenschappers achtereenvolgens tot drie reizende fononen in de SAW-resonator konden opslaan. Het proces had een hoge betrouwbaarheid, en de wetenschappers schreven eventuele afwijkingen toe aan akoestische verliezen. Zoals eerder, ze gebruikten het akoestische kanaal om externe kwantumverstrengeling tussen Q1 en Q2 te genereren om een ​​Bell-toestand te creëren.

Op deze manier, Bienfait et al. toonde experimenteel duidelijke en overtuigende resultaten voor de gecontroleerde afgifte en vangst van reizende fononen in een beperkte Fabry-Pérot-resonator, voornamelijk beperkt door akoestische verliezen. Ze toonden aan dat de emissie- en afvangprocessen niet werden bepaald door de lengte van de resonator, dus dezelfde processen waren van toepassing op een niet-resonerend akoestisch apparaat. In totaal, de wetenschappers gedetailleerde processen om experimenteel high-fidelity verstrengeling tussen twee qubits te genereren. Deze resultaten zullen een stap voorwaarts vormen om fundamentele kwantumcommunicatieprotocollen met fononen te realiseren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk