Фізики перетворили твердотільну систему, що працює в однофононному нелінійному режимі, в механічний кубит, на якому продемонстрували ініціалізацію та зчитування станів, а також найпростіші однокубітні вентилі за допомогою додаткового надпровідникового ланцюга. Час когерентності фононних мод в експерименті становив понад 20 мікросекунд залежно від режиму генерації коливань — цього, на думку вчених, достатньо проведення елементарних обчислень. Дослідження опубліковано в Science.
Надпровідники, фотони, іони і навіть кристали алмазу — все це платформи, які вчені використовували для створення кубітів, елементарних частин квантових обчислювачів (докладніше про найпоширеніші види кубітів ми розповіли у нашому матеріалі «Квантові технології. Модуль 4»). використовуються кубити розташовані всередині різного роду резонаторів, що дозволяє фізикам успішно керувати характеристиками пристроїв, наприклад, точністю операцій чи часом когерентності.
Хоча механічні резонатори і відрізняються досить великим часом життя (близько десятих часток секунди), що могло б бути корисним для майбутніх квантових пристроїв, створити повністю механічний кубит набагато складніше. Справа в тому, що власна механічна нелінійність більшості матеріалів вкрай слабка і помітна тільки в класичній межі при великій кількості фононів, а у разі малого числа останніх розпадається набагато швидше, ніж потрібно для маніпуляцій над квантовим об'єктом. Такий сценарій не влаштовує дослідників, яким необхідно керувати одиничними частинками або квазічастинками для перетворення класичної системи на квантову.
Швейцарські фізики на чолі з Ігорем Кладаричем (Igor Kladarić) з Вищої технічної школи Цюріха продемонстрували твердотільне пристрій, в якому фононні моди, збуджені додатковою електромагнітною системою, виявилися набагато швидшими за загальну декогеренцію і дозволили виконати найпростіші однокубітні операції.
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.