Механический резонатор стал кубитом

Физики превратили твердотельную систему, работающую в однофононном нелинейном режиме, в механический кубит, на котором продемонстрировали инициализацию и считывание состояний, а также простейшие однокубитные вентили с помощью дополнительной сверхпроводниковой цепи. Время когерентности фононных мод в эксперименте составило более 20 микросекунд в зависимости от режима генерации колебаний — этого, по мнению ученых, достаточно для проведения элементарных вычислений. Исследование опубликовано в Science.

Сверхпроводники, фотоны, ионы и даже кристаллы алмаза — все это платформы, которые ученые использовали для создания кубитов, элементарных частей квантовых вычислителей (подробнее о самых распространенных видах кубитов мы рассказали в нашем материале «Квантовые технологии. Модуль 4»). При этом почти всегда используемые кубиты расположены внутри различного рода резонаторов, что позволяет физикам успешно управлять характеристиками устройств, например, точностью операций или временем когерентности.

Хотя механические резонаторы и отличаются достаточно большим временем жизни (порядка десятых долей секунды), что могло бы быть полезным для будущих квантовых устройств, создать полностью механический кубит гораздо сложнее. Дело в том, что собственная механическая нелинейность большинства материалов крайне слаба и заметна только в классическом пределе при большом числе фононов, а в случае малого числа последних распадается гораздо быстрее, чем требуется для манипуляций над квантовым объектом. Такой сценарий не устраивает исследователей, которым необходимо управлять единичными частицами или квазичастицами для превращения классической системы в квантовую.

Швейцарские физики во главе с Игорем Кладаричем (Igor Kladarić) из Высшей технической школы Цюриха продемонстрировали твердотельное устройство, в котором фононные моды, возбужденные дополнительной электромагнитной системой, оказались намного быстрее общей декогеренции и позволили выполнить простейшие однокубитные операции.

Для этого ученые использовали высокочастотный акустический резонатор размером в 50 микрометров, описанный в своей предыдущей работе: кристалл сапфира с резонатором расположили над трансмонной квантовой цепью на расстоянии 960 нанометров и затем соединили обе части чипа с помощью антенны, которая преобразовывала колебания электромагнитного поля в механические. Взаимодействие между кубитами физики осуществили в рамках модели Джейнса — Каммингса, а настройку частот реализовали с помощью штарковского сдвига (вместо внешнего магнитного поля, которое обычно использовали авторы более ранних работ). Для управления полученной системой и ее характеризации исследователи применили следующий подход: сначала они запутали возбужденное состояние трансмона и основное состояние фононного кубита, после этого дополнительным импульсом ученые распутали две моды, создав суперпозицию состояний, и благодаря интерферометрии измерили состояние механического кубита после эволюции.

В итоге выяснилось, что время когерентности механического кубита в двух различных режимах оказалось равным 20,4 микросекунды в первом случае и 30,9 микросекунды во втором. Особенностью созданного физиками устройства оказался тот факт, что ангармоничность системы настроилась достаточно быстро, чтобы экспериментаторы визуализировали полученные состояния методом томографии Вигнера. Последняя же подтвердила, что система вела себя подобно кубиту, а не как обычный акустический резонатор. Затем ученые исследовали приготовление квантового состояния в шести основных точках сферы Блоха с помощью однокубитных вентилей поворота: степень совпадения (fidelity) для вакуумного состояния составила 99,988 процента. Полученные результаты оказались схожи с теоретическими предсказаниями, хотя и несколько сместились из-за утечки фононов, а также имели пониженный контраст ввиду декогеренции и распада фононной моды.

Авторы работы отметили, что их текущая система существенно ограничена в возможностях из-за все еще низкой когерентности как фононной, так и трансмонной составляющей. Для преодоления этих трудностей ученые предложили в дальнейшем изменить геометрию устройства, чтобы минимизировать декогеренцию трансмона от потерь акустического излучения.

Физики не первый раз используют трансмоны для манипуляций над твердотельными системами на квантовом уровне. Например, мы уже писали о том, как квантовая акустика помогла запутать и измерить пару механических резонаторов.