Fizycy przekształcili układ półprzewodnikowy działający w nieliniowym trybie pojedynczego fononu w kubit mechaniczny, na którym zademonstrowali inicjalizację i odczyt stanów, a także najprostsze bramki pojedynczego kubitu, wykorzystując dodatkowy obwód nadprzewodzący. Czas koherencji modów fononowych w eksperymencie wynosił ponad 20 mikrosekund, w zależności od modu generowania oscylacji — według naukowców jest to czas wystarczający do przeprowadzenia elementarnych obliczeń. Badanie opublikowano w czasopiśmie Science.
Nadprzewodniki, fotony, jony, a nawet kryształy diamentów to platformy, których naukowcy użyli do stworzenia kubitów, podstawowych części komputerów kwantowych (więcej 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 charakterystyki urządzeń, na przykład dokładność operacji lub czas koherencji.
Chociaż rezonatory mechaniczne charakteryzują się dość długą żywotnością (rzędu dziesiątych części sekundy), co mogłoby być przydatne w przyszłych urządzeniach kwantowych, stworzenie całkowicie mechanicznego kubitu jest znacznie trudniejsze. Faktem jest, że wewnętrzna nieliniowość mechaniczna większości materiałów jest niezwykle słaba i zauważalna jest jedynie w klasycznej granicy przy dużej liczbie fononów, a w przypadku małej liczby tych ostatnich zanika znacznie szybciej, niż jest to wymagane do manipulacji obiektem kwantowym. Taki scenariusz nie odpowiada badaczom, którzy muszą manipulować pojedynczymi cząsteczkami lub kwazicząsteczkami, aby przekształcić układ klasyczny w kwantowy.
Szwajcarscy fizycy pod przewodnictwem Igora Kladaricia z Politechniki 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 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.