Физики связали сверхпроводящий кубит с поверхностной акустической волной

Физики впервые смогли добиться связывания сверхпроводящего кубита с акустической волной в двумерных системах. В таких системах информацию с кубитов можно считывать с помощью акустических колебаний вместо электромагнитных, что позволяет повысить компактность и чувствительность квантово-вычислительных систем. Экспериментальная реализация такого связывания может стать толчком к дальнейшему развитию квантовоакустических компьютеров, пишут ученые в Physical Review Letters.

Один из стандартных способов считывания информации в квантово-вычислительных системах основан на квантовом взаимодействии между кубитом и электромагнитным резонатором. Недавно ученые предложили использовать аналогичный подход, в котором вместо электромагнитных волн используются акустические волны — колебания атомов в кристаллической решетке. При определенных условиях элементарные колебания атомов — фононы — могут существовать в кристалле в квантовом режиме и благодаря этому взаимодействовать с кубитами. По мнению ученых, такие квантово-акустические системы будут обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционными электромагнитными, в частности они могут оказаться значительно более компактными и устойчивыми при работе.

Нужный квантовый режим для акустических резонаторов физикам уже удалось реализовать для трехмерного случая, однако создание таких систем сейчас довольно затруднительно с технологической точки зрения, поэтому вряд ли будет широко использоваться в ближайшее время. При этом многие современные искусственные квантовые системы работают в двумерной конфигурации, а связать между собой кубит и поверхностную акустическую волну до настоящего момента не удавалось.

Решить эту проблему смогли физики из России и Великобритании под руководством Олега Астафьева (Oleg V. Astafiev) из Московского физико-технического института, разработав технологию связывания сверхпроводящего кубита с поверхностной акустической волной в квантовом режиме. В предложенной системе кубит закреплялся на поверхности кварцевого кристалла внутри резонатора для поверхностной акустической волны. Резонатор работал в конфигурации Фабри — Перо, в которой для отражения волн использовались два набора из 200 параллельных алюминиевых полос шириной около 500 нанометров. Для подавления температурных флуктуаций, которые мешают получить устойчивое квантовое состояние фонона, физикам пришлось использовать источник поверхностных акустических волн с частотой 3,2 гигагерца (в большинстве подобных устройств образуются мегагерцовые волны). Для возбуждения и регистрации поверхностных волн внутрь резонатора также помещались два встречно-штыревых преобразователя — излучатель и детектор, связанные с пьезоэлектрическим элементом.

Связь между кубитом и акустической волной в такой системе осуществляется за счет поглощения или испускания кванта энергии и перехода из основного состояния в возбужденное и обратно. При этом, поскольку частота самого резонатора зависит от состояния кубита, то меняя его характеристики, можно производить чтение с него информации.

С помощью измерения энергетического спектра кубита ученым удалось показать, что между акустическим резонатором и кубитом действительно происходит взаимодействие в квантовом режиме. Сделать такой вывод физики смогли по форме спектра, для которого выражено явление антипересечения — двух характерных частот перехода при одном значении магнитного потока.

Ученые отмечают, что возможность квантового связывания кубита с акустическим резонатором свидетельствует о перспективности использования квантовоакустических систем в качестве альтернативы более традиционным системам с микроволновыми резонаторами. По словам авторов работы, использование поверхностных акустических волн обладают рядом преимуществ: во-первых, благодаря меньшей длине волны на одном механическом резонаторе с несколькими резонансными частотами можно уместить сразу несколько кубитов, которые немного отличаются по частоте перехода. А во-вторых, использование акустических резонаторов вместо электромагнитных позволит снизить чувствительность всей системы к электромагнитному шуму.

Считывание информации в квантовых компьютерах — далеко не единственное применение поверхностных акустических волн, связанное с квантовыми системами. Например, недавно физики разработали подход, который позволяет с помощью стоячей поверхностной акустической волны создавать в двумерных полупроводниковых материалах устойчивые решетки из электронов или поляритонов. При этом, варьируя частоту акустических колебаний, можно изменять параметры таких решеток и приводить частицы в движение.

Александр Дубов