Physicists transformed a solid-state system operating in the single-phonon nonlinear regime into a mechanical qubit, demonstrating the initialization and readout of states, as well as simple single-qubit gates, using an additional superconducting circuit. The phonon mode coherence time in the experiment was over 20 microseconds, depending on the oscillation mode—a value the scientists believe is sufficient for performing basic computations. The study was published in Science.
Superconductors, photons, ions, and even diamond crystals—all of these are platforms that scientists have used to create qubits, the fundamental components of quantum computers (we discussed the most common types of qubits in more detail in our article "Quantum Technologies. Module 4"). These qubits are almost always located within various types of resonators, allowing physicists to successfully control the characteristics of these devices, such as the precision of operations or the coherence time.
Although mechanical resonators have a relatively long lifetime (on the order of tenths of a second), which could be useful for future quantum devices, creating a fully mechanical qubit is much more difficult. The intrinsic mechanical nonlinearity of most materials is extremely weak and is noticeable only in the classical limit with a large number of phonons. With a small number of phonons, it decays much faster than required to manipulate a quantum object. This scenario is unsuitable for researchers who need to control single particles or quasiparticles to transform a classical system into a quantum one.
Swiss physicists led by Igor Kladarić from the ETH Zurich have demonstrated a solid-state device in which phonon modes excited by an additional electromagnetic system are much faster than general decoherence and enable simple single-qubit operations.
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.
