Fizycy zamienili układ półprzewodnikowy pracujący w trybie nieliniowym jednofononowym w kubit mechaniczny, na którym zademonstrowali inicjalizację i odczyt stanów, a także najprostsze zawory jednokubitowe za pomocą dodatkowego obwodu nadprzewodzącego. Czas koherencji modów fononowych w eksperymencie wyniósł ponad 20 mikrosekund, w zależności od trybu generowania drgań — to zdaniem naukowców wystarczy do przeprowadzenia elementarnych obliczeń. Badanie opublikowano w czasopiśmie Science.
Nadprzewodniki, fotony, jony, a nawet kryształy diamentu to platformy, których naukowcy używali do tworzenia kubitów, elementarnych części komputerów kwantowych (o najpowszechniejszych typach kubitów rozmawialiśmy w naszym materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”). Jednocześnie stosowane kubity prawie zawsze znajdują się wewnątrz różnych typów rezonatorów, co pozwala fizykom z powodzeniem kontrolować charakterystykę urządzeń, na przykład dokładność operacji czy czas koherencji.
Choć rezonatory mechaniczne mają wystarczająco długą żywotność (rzędu dziesiątych części sekundy), co mogłoby przydać się w przyszłych urządzeniach kwantowych, to stworzenie całkowicie mechanicznego kubitu jest znacznie trudniejsze. Faktem jest, że wrodzona nieliniowość mechaniczna większości materiałów jest wyjątkowo 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 manipulacji obiekt kwantowy. Taki scenariusz nie odpowiada badaczom, którzy muszą kontrolować pojedyncze cząstki lub quasi-cząstki, aby przekształcić układ klasyczny w kwantowy.
Szwajcarscy fizycy pod kierunkiem Igora Kladaricia z Wyższej Szkoły Technicznej w Zurychu zademonstrowali urządzenie półprzewodnikowe, w którym mody fononowe wzbudzane dodatkowym układem elektromagnetycznym były znacznie szybsze od ogólnej dekoherencji i umożliwiały 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.