Fizycy przekształcili układ półprzewodnikowy pracujący w trybie nieliniowym z jednym fononem w kubit mechaniczny, na którym zademonstrowali inicjalizację i odczyt stanów, a także najprostsze lampy jednokubitowe przy pomocy dodatkowego obwodu nadprzewodzącego. Czas koherencji modów fononowych w eksperymencie wynosił ponad 20 mikrosekund, w zależności od trybu generowania drgań — według naukowców jest to wartość wystarczająca do przeprowadzenia elementarnych obliczeń. Badanie opublikowano w czasopiśmie Science.
Nadprzewodniki, fotony, jony, a nawet kryształy diamentów to platformy, których naukowcy użyli do stworzenia kubitów, elementarnych części komputerów kwantowych (o najczęstszych typach kubitów mówiliśmy w naszym materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”). Jednocześnie wykorzystywane kubity są niemal zawsze umieszczone wewnątrz różnego rodzaju rezonatorów, co pozwala fizykom skutecznie kontrolować parametry urządzeń, na przykład dokładność operacji lub czas koherencji.
Chociaż rezonatory mechaniczne mają wystarczająco długi czas życia (rzędu dziesiątych części sekundy), co mogłoby być przydatne w przyszłych urządzeniach kwantowych, stworzenie całkowicie mechanicznego kubitu jest znacznie trudniejsze. Faktem jest, że wrodzona nieliniowość mechaniczna większości materiałów jest niezwykle słaba i zauważalna jedynie w klasycznej granicy przy dużej liczbie fononów, a w przypadku małej liczby tych ostatnich zanika znacznie szybciej, niż jest to wymagane do manipulowania obiektem kwantowym. Taki scenariusz nie odpowiada badaczom, którzy muszą kontrolować pojedyncze cząstki lub kwazicząstki, aby przekształcić układ klasyczny w kwantowy.
Szwajcarscy fizycy pod przewodnictwem Igora Kladaricia z Wyższej Szkoły Technicznej w Zurychu zaprezentowali urządzenie półprzewodnikowe, w którym mody fononowe wzbudzane przez dodatkowy układ elektromagnetyczny były znacznie szybsze niż ogólna dekoherencja i pozwalały na wykonywanie najprostszych operacji na jednym kubicie.
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.