Кубит помог запутать и измерить механические резонаторы

Американские физики сообщили, что им удалось создать сильную связь между кубитом и парой механических резонаторов. Управляя свойствами кубита и параметрами связи, они смогли не только запутать механические резонаторы, но и провести квантовую томографию их состояния. Исследование опубликовано в Nature.

Квантовая акустика — это сравнительно молодая область физики, которая посвящена изучению неклассического поведения звука. Это становится возможным благодаря квантованию механических волн в средах, резонаторах или мембранах и работе с отдельными квантами звука — фононами. Квантовая акустика объединяет в себе методы, заимствованные из квантовой электродинамики в полости, с преимуществами механических резонаторов, которые могут выступать в роли часов, сигнальных фильтров или сенсоров движения.

К области квантовой акустики можно отнести технологии создания и удержания механических систем в суперпозиционном или даже запутанном состоянии. Сложность этого процесса кроется в том, что механические резонаторы принято считать макроскопическими объектами, для которых характерны сильные процессы декогеренции, то есть разрушения хрупких квантовых состояний. Несмотря на это физики регулярно сообщают о том, что им удается перевести в состояние запутанности два механических объекта тем или иным способом. Интерес, однако, представляет дальнейшее развитие этих методов, например, связь этих резонаторов с кубитами или проведение быстрых неразрушающих квантовых измерений.

Физики из Стенфордского университета под руководством Амира Сафави-Наини (Amir Safavi-Naeini) сообщили, что им удалось связать пару наномеханических резонаторов со сверхпроводящим кубитом. Они добились возможности управления и считывания информации о квантовом состоянии этой пары. Среди прочего физики смогли запутать резонаторы, что подтвердила квантовая томография их состояний.

Устройство, созданное авторами, представляло собой двухслойный чип. В его нижнем слое располагался сверхпроводящий трансмонный кубит, а верхнем — два наномеханических резонатора, изготовленных на базе ниобат-литиевого фононного кристалла с дефектной модой. Ниобат лития известен своими пьезоэлектрическими свойствами. Ученые воспользовались этим, чтобы связать резонаторы и кубит емкостной связью через дополнительные алюминиевые электроды, присоединенные к стенкам резонатора. Они перевели устройство в режим сильной дисперсионной связи, в котором добавление одиночного фонона в моду каждого резонатора приводило к смещению резонансной частоты кубита.

Эта связь имела двусторонний характер. Другими словами, меняя частоту кубита с помощью импульсов тока, физики могли управлять населенностью мод. Для демонстрации этого принципа они реализовали в такой системе операцию iSWAP для механических состояний резонаторов, переводя на некоторое время возбужденный кубит в режим сильной связи с ними. Используя его как детектор, исследователи увидели характерные осцилляции, по которым они оценили время, за которое происходит операция iSWAP. Оно оказалось равным 24-26 наносекундам.

Физики разработали протокол, позволяющий восстановить статистику фононов механической моды отдельного резонатора по осцилляциям Рамзея, считываемых с кубита. Затем они расширили его на работу сразу с двумя резонаторами. Авторы смогли провести квантовую томографию предварительно запутанных резонаторов, используя то, что каждый из них по-своему смещал частоту кубита.

В будущем авторы надеются увеличить время когерентности механических состояния, и, как следствие, их схожесть состояний (fidelity). Недавно мы рассказывали, как другая группа физиков увеличила этот параметр для аналогичного электромеханического устройства, достигнув 140 миллисекунд.

Марат Хамадеев