Акустические волны изменили время когерентности кубита в алмазе

Физики воспользовались акустическими волнами гигагерцовой частоты для контроля когерентности отрицательно заряженной азотно-замещенной вакансии в алмазе. Новый способ позволит многократно (как минимум, в два раза) увеличить время когерентности системы. Результаты исследования ученые опубликовали в журнале PRX Quantum.

Чем больше время когерентности кубитов в квантовых вычислителях, тем шире круг полезных задач, которые они способны решать. В каждом конкретном случае уменьшение декогеренции реализуется по-своему. Например, когда речь идет о сверхпроводящих кубитах, то на помощь приходят сверхнизкие температуры.

Иногда ученые используют различные дефекты кристаллов (чаще всего это азотно-замещенные вакансии в алмазах, они же NV-центры) в качестве кубитов. Манипуляции с подобными системами можно проводить даже при комнатной температуре, однако нивелировать влияние окружающей среды все равно приходится. Декогеренция в этом случае проявляется в затухании осцилляций Раби между основным и возбужденными состояниями. Для борьбы с этим явлением исследователи ранее использовали микроволновое излучение, магнитные и электрические поля.

Группа физиков из Корнеллского университета под руководством Грегори Фукса (Gregory D. Fuchs) продемонстрировала когерентный контроль отрицательно заряженного NV-центра в возбужденном состоянии с помощью акустических волн гигагерцовой частоты.

Для этого исследователи изготовили объемный акустический резонатор из монокристаллического алмаза толщиной 500 микрометров. Внутрь они поместили подопытный NV-центр, который перевели в возбужденное состояние лазерным излучением. С помощью электрического поля частотой 1,296 гигагерца, приложенного к нижней грани параллелепипеда, физики добились возникновения стоячей продольной волны деформации между поверхностями кристалла, которые выполнили роль акустических зеркал. Энергия фононов, возбужденных колебаниями резонатора, передалась NV-центру и позволила удержать последний внутри ограниченного набора связанных орбитальных возбужденных состояний. Тем самым ученые добились управляемой когерентности системы. Для измерения результатов эксперимента авторы работы применили фотолюминесцентную спектроскопию.

Полученные данные ученые сравнили с предсказаниями стационарной теории возмущений и модели Ландау — Зенера, получив хорошее соответствие теории и эксперимента. Зависимость времени когерентности от параметров резонатора при этом оказалась немотонной функцией. Например, при мощности акустического осциллятора 14,5 милливатта время когерентности составило 5 наносекунд, значению 8,4 милливатта соответствовали 12,8 наносекунды, а для мощности 4,9 милливатта время когерентности оказалось 9,5 наносекунды.

Авторы исследования подчеркивают, что если правильно подобрать мощность звукового излучателя, то можно получить многократный рост времени когерентности системы (как минимум, в два раза).

О том, как физики смогли добиться увеличения времени когерентности молекулярных кубитов до ста миллисекунд, мы писали ранее.