Fizycy przekształcili układ półprzewodnikowy działający w nieliniowym trybie pojedynczego fononu w mechaniczny kubit, demonstrując inicjalizację i odczyt stanów, a także proste bramki pojedynczego qubitu, wykorzystując dodatkowy obwód nadprzewodzący. Czas koherencji trybu fononu w eksperymencie wyniósł ponad 20 mikrosekund, w zależności od trybu oscylacji – wartość, którą naukowcy uważają za wystarczającą do wykonania podstawowych obliczeń. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Science.
Nadprzewodniki, fotony, jony, a nawet kryształy diamentu – wszystkie te elementy to platformy, na których naukowcy budowali kubity, fundamentalne elementy komputerów kwantowych (najpopularniejsze typy kubitów omówiliśmy szczegółowo w naszym artykule „Technologie kwantowe. Moduł 4”). Kubity te są niemal zawsze umieszczone w różnego rodzaju rezonatorach, co pozwala fizykom skutecznie kontrolować parametry tych urządzeń, takie jak precyzja operacji czy czas koherencji.
Chociaż rezonatory mechaniczne charakteryzują się stosunkowo długą żywotnością (rzędu dziesiątych części sekundy), co mogłoby być przydatne w przyszłych urządzeniach kwantowych, stworzenie w pełni mechanicznego kubitu jest znacznie trudniejsze. Wewnętrzna nieliniowość mechaniczna większości materiałów jest niezwykle słaba i zauważalna jedynie w granicy klasycznej z dużą liczbą fononów. Przy małej liczbie fononów rozpada się znacznie szybciej niż jest to wymagane do manipulowania obiektem kwantowym. Ten scenariusz nie jest odpowiedni dla badaczy, którzy muszą kontrolować pojedyncze cząstki lub kwazicząstki, aby przekształcić układ klasyczny w kwantowy.
Szwajcarscy fizycy pod kierownictwem Igora Kladaricia z ETH w Zurychu zaprezentowali urządzenie półprzewodnikowe, w którym mody fononowe wzbudzane przez dodatkowy układ elektromagnetyczny są znacznie szybsze niż ogólna dekoherencja i umożliwiają proste operacje na pojedynczych kubitach.
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.
