Onderzoekers hebben onlangs de interactie van supergeleidende qubits aangetoond; de basiseenheid van kwantuminformatie, met akoestische oppervlaktegolfresonatoren; een oppervlaktegolf equivalent van de kristalresonator, in de kwantumfysica. Dit fenomeen opent een nieuw onderzoeksgebied, gedefinieerd als kwantumakoestiek om de ontwikkeling van nieuwe soorten kwantumapparaten mogelijk te maken. De belangrijkste uitdaging in deze onderneming is het vervaardigen van akoestische resonatoren in het gigahertz-assortiment. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Natuur Communicatiefysica , Aleksey N. Bolgar en een team van natuurkundigen in kunstmatige kwantumsystemen en fysica, in Rusland en het VK, gedetailleerd de structuur van een aanzienlijk vereenvoudigd hybride akoestodynamisch apparaat door een akoestische resonator te vervangen door een fononisch kristal of akoestisch metamateriaal.

Het kristal bevatte smalle metalen strepen op een kwartsoppervlak en dit kunstmatige atoom of metalen object interageerde op zijn beurt met een microgolftransmissielijn. In engineering, een transmissielijn is een connector die energie van het ene punt naar het andere overbrengt. De wetenschappers gebruikten de opstelling om twee vrijheidsgraden van verschillende aard te koppelen, d.w.z. akoestisch en elektromagnetisch, met een enkel kwantumobject. Met behulp van een verstrooiingsspectrum van zich voortplantende elektromagnetische golven op het kunstmatige atoom visualiseerden ze akoestische modi van het fononische kristal. Dankzij de geometrie van het apparaat konden ze de effecten van kwantumakoestiek realiseren op een eenvoudig en compact systeem.

Supergeleidende kwantumsystemen

Supergeleidende kwantumsystemen zijn veelbelovend voor kwantumtechnologieën in de kwantuminformatica en zijn fundamenteel voor nieuwe onderzoeksrichtingen van kwantumoptica en kunstmatige atomen. Deze systemen kunnen gemakkelijk een sterk koppelingsregime bereiken, zelfs voor macroscopische circuitelementen. Verschillende onderzoeksgroepen hadden kwantumakoestiek (QAD) bereikt met behulp van kunstmatige atomen, waar elektromagnetische golven kunnen worden vervangen door akoestische versies en fotonen door fononen. In dit werk, Bolgar et al. bestudeerde een hybride circuit waarbij een supergeleidende qubit gelijktijdig sterk was gekoppeld aan twee systemen van verschillende aard:akoestisch en elektromagnetisch, met een fononisch kristal en een eendimensionale (1-D) transmissielijn van elektromagnetische golven.

Een belangrijk element in QAD-experimenten omvat een mechanische resonator, die een bulkresonator of een oppervlakte-akoestische golf (SAW)-resonator kan zijn die een vergelijkbare rol speelt als een holte in de kwantumelektrodynamica (QED). Akoestische elementen kunnen compact worden gemaakt door hun golflengte, die typisch vijf ordes van grootte korter is dan die van elektromagnetische golven. Natuurkundigen hadden baanbrekende experimenten uitgevoerd met akoestische bulkresonatoren gekoppeld aan supergeleidende qubits. Echter, het integreren van dergelijke bulkresonatoren met elektronica is niet eenvoudig. In deze experimentele opstelling Bolgar et al. gebruikte een qubit om de rol van het intermediaire systeem te spelen door de akoestische en elektromagnetische systemen met elkaar te verbinden. De onderzoekers gebruikten een enkel lang fononisch kristal voor de akoestiek van het apparaat om de opstelling een aanzienlijk technisch voordeel te geven.

De indeling van het apparaat

Het team ontwikkelde het apparaat op een piëzo-elektrisch substraat van stabiel kwarts. Het apparaat bevatte een transmon-type qubit, capacitief gekoppeld aan een microgolftransmissielijn. Bij supergeleidende kwantumcomputers een transmon is een soort supergeleidende ladingsqubit die is ontworpen voor verminderde gevoeligheid voor laadruis. Het apparaat bevatte een interdigitale transducer (IDT) met elektroden op gelijke afstanden in de vorm van metalen strepen. De IDT-capaciteit was evenredig met het aantal elektrodenparen. De capaciteitselektroden waren verbonden met een supergeleidende kwantuminterferentieapparaat (SQUID) lus; een gevoelige detector van magnetische flux en veld - gebruikt om de qubit-energieën af te stemmen. De periodieke structuur van de metalen strepen in de opstelling vormde een fononisch kristal (of akoestisch metamateriaal), waarbij elke streep fungeerde als een extra massa op het kwartsoppervlak. De groepssnelheid van de golven was veel kleiner dan de geluidssnelheid in de opstelling, waardoor de golven effectief in het apparaat kunnen worden beperkt.

De interdigitale transducer (IDT) die in de opstelling wordt gebruikt, gegenereerde akoestische oppervlaktegolven (SAW) die zich in de lengterichting voortplanten. In tegenstelling tot resonatoren, de golven werden niet gereflecteerd aan de grenzen maar lekten vrijuit en als gevolg daarvan, de toegestane modi in het systeem waren quasinormaal, d.w.z. gedempte trillingen. Het team beschreef vervolgens de Hamiltoniaan van het hybride systeem (een functie die de totale energie van een systeem vertegenwoordigt). In het experimentele systeem het kunstmatige atoom gekoppeld aan een fononisch kristal interageerde met de elektromagnetische golf in de transmissielijn en het team beschreef de dynamiek van de verstrooide golven op het kunstmatige atoom, die ze hebben gemeten met behulp van transmissiespectroscopie. Het werk bevatte informatie over de interactie van het atoom met fononische modi.

De experimentele resultaten

De experimentele omstandigheden lieten toe dat thermische fluctuaties van de opstelling ver onder de energie van akoestische oppervlaktefonons lagen, die zich in het gigahertz-bereik van frequenties bevinden. De onderzoekers ontdekten de atoomgolf-interactie, als een verandering in fase en amplitude van het uitgezonden signaal dichtbij de qubit-resonantiefrequentie. Ze versterkten het uitgezonden signaal met behulp van cryogene en kamertemperatuurversterkers en verzamelden de resultaten onder verschillende magnetische velden om de energiesplitsing van de qubit te vinden. De resultaten van spectraallijnsplitsingen toonden de interactie aan tussen de qubit en vier quasinormale modi (QNM's) van het fononische kristal op vier verschillende frequenties. De hoge kwaliteitsfactoren (ook wel Q-factoren genoemd) die in het experiment werden gebruikt, namen toe met de toenemende metalen strepen, waar een hogere Q een langzamere verspreiding van de oscillaties aangaf. Deze waarneming werd ook ondersteund door simulaties.

De bredere impact op kwantumakoestiek

Op deze manier, Aleksey N. Bolgar en collega's hebben experimenteel de interactie aangetoond tussen een qubit en oppervlakte-akoestische golf (SAW) fononisch kristal, gevormd via een periodieke metalen structuur op het oppervlak van een kwartsmateriaal. Het team vond de modi van het fononische kristal in het circuit door de verstrooiing van elektrodynamische golven op een kunstmatig atoom met twee niveaus dat sterk aan het kristal is gekoppeld, te karakteriseren. Ze toonden de interactie van het atoom met vier quasinormale modi van het kristal. De geometrie van het ontworpen apparaat was eenvoudig en robuust en is compacter dan bestaande omvangrijke opstellingen. De resultaten van dit werk zullen bijdragen aan de ontwikkeling van apparaten die geschikt zijn voor fundamentele kwantumakoestiek.

© 2020 Wetenschap X Netwerk