Fizycy przekształcili układ półprzewodnikowy pracujący w nieliniowym modzie jednofononowym w mechaniczny kubit, na którym zademonstrowali inicjalizację i odczyt stanów, a także najprostsze lampy jednokubitowe z wykorzystaniem dodatkowego układu nadprzewodzącego. Czas koherencji modów fononowych w eksperymencie wynosił ponad 20 mikrosekund, w zależności od trybu generowania drgań – zdaniem naukowców wystarcza to do wykonywania elementarnych obliczeń. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Science”.
Nadprzewodniki, fotony, jony, a nawet kryształy diamentów – to wszystko platformy, na których naukowcy opierają tworzenie kubitów, elementarnych elementów komputerów kwantowych (o najpopularniejszych typach kubitów pisaliśmy w naszym materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”). Jednocześnie, używane kubity są niemal zawsze umieszczone wewnątrz różnego rodzaju rezonatorów, co pozwala fizykom skutecznie kontrolować parametry urządzeń, na przykład dokładność operacji czy czas koherencji.
Chociaż rezonatory mechaniczne charakteryzują się wystarczająco długim czasem 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 z dużą liczbą fononów, a w przypadku niewielkiej liczby tych ostatnich rozpada się 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 kierownictwem 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 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.
