一種人造量子系統使得人造原子與聲共振器耦合

圖1：晶元示意圖。諧振器是由兩個布拉格光柵形成的法布里-珀羅腔，每個布拉格光柵由200個平行條紋(以黃色顯示)組成，相隔聲學波長的一半。波長等於0.98微米，或980納米。在諧振器內部有兩個叉指式換能器（IDT）埠(一個接收器和一個發射器)以及一個量子比特(transmon)。SQUID是對弱磁場敏感的transmon的一部分。圖片來源：Elena Khavina/MIPT

來自俄羅斯和英國的研究人員已經展示了一種人造量子系統，其中量子比特與量子區域中的聲共振器相互作用。這使得量子光學原理能夠應用於聲波的研究中，並且使基於聲學的量子計算機設計的替代方法成為可能。它還可以使量子計算機更加穩定和緊湊。該論文已發表在《物理評論快報》上。

「我們是第一個在量子體系中證明量子比特和表面聲波諧振器之間的相互作用。以前，研究過這種諧振器，但沒有量子比特。同樣，研究了表面聲波的量子比特，但那些是在沒有諧振器的情況下運行波。量子體系在體諧振器(bulk resonators)上得到了證明，但這並沒有走得太遠，可能是由於製造上的困難。我們使用了現有技術製造的平面結構。」莫斯科物理技術學院(MIPT)人造量子系統實驗室的研究員Aleksey Bolgar說道。該研究就是在那裡進行的。

研究人員研究了一個超導量子比特(即一個transmon)與諧振器中的表面聲波相互作用(圖1)。transmon表現為一個人造原子——也就是說，它具有許多能級(圖2)並在它們之間進行轉換。傳統的微波方法是使一個晶元同時保持量子比特和微波諧振器支持和放大波。在這種設置中，量子比特可以通過從諧振器吸收光子並進入激發態或通過向其發射光子並返回基態來與諧振器相互作用，條件是光子頻率對應於量子比特的躍遷頻率。諧振器本身的諧振頻率根據量子比特的狀態而變化。因此，通過改變諧振器特性，可以從量子比特讀取信息。

圖2：Transmon的能譜類似於原子的能譜。前兩個能級之間的躍遷頻率是ω01。圖片來源：Elena Khavina/MIPT

最近出現了另一種方法。該方法沒有使用微波輻射(光子)，而是使用聲波形式的機械激發或光子。與其微波對應物相比，這種量子聲學方法的開發程度要小得多，但它具有許多優點。

由於聲波比光傳播慢100,000倍，因此它們的波長更短。諧振器的尺寸需要「適合」所使用的波長。在微波量子系統中，波長最多約為1厘米。這意味著諧振器需要相當大，但是它越大，它具有的缺陷就越多，因為它們不可避免地存在於晶元的表面上。由於這些缺陷，量子比特狀態的壽命很短，損害了大規模量子計算並使量子計算機的創建變得複雜。截至目前，最長壽命的世界紀錄大約是100微秒，或者是萬分之一秒。在聲學方法下，波長大約等於1微米，因此可以在晶元上安裝尺寸僅為300微米的高質量諧振器。

微波的另一個問題是長波長不可能將兩個量子比特放入一個諧振器中以實現不同頻率的相互作用。結果就是，每個量子比特需要一個單獨的諧振器(見圖3)。在聲學方法中，一個機械諧振器可以容納僅僅具有輕微不同的躍遷頻率的幾個量子比特。這意味著基於聲波的量子晶元將比現在的量子晶元小得多。此外，聲動力學可以解決量子系統對電磁雜訊敏感的問題。

圖3：微波晶元。頂部圖片中的七個正方形區域中的每一個都包含一個量子比特。頂部圖中的L形線是微波諧振器，每個諧振器具有不同的諧振頻率。一千分尺(1微米)是百萬分之一米。圖片來源：Elena Khavina/MIPT

該論文的作者使用諧振器進行表面聲波。這些有點類似於海浪，但是在固體中傳播。圖4顯示了研究中創建的晶元。鋁電路沉積在由石英製成的壓電基板上。該電路由一個transmon，一個諧振器和兩個叉指式換能器組成。兩個換能器用作發射器和接收器。在它們之間，存在一個電壓層。這個電壓層是由一種材料製成，該材料能將機械應力轉換成電，反之亦然。在壓電材料上產生的表面聲波被捕獲在諧振器的兩個布拉格光柵之間。包含在諧振器中的量子比特或transmon具有兩個能級，並且該量子比特電容被實現為叉指式換能器。這項研究的目的是證明量子比特可以與諧振器相互作用，以量子系統的方式變得活躍和放鬆。這項測量是在低溫恆溫器中進行，溫度在數萬毫開爾文以下(under temperatures in the tens of millikelvins)。

圖4：聲學晶元。整個系統的尺寸與圖3中放大的方形區域的尺寸相當。一納米(1nm)是十億分之一米和千分之一微米(1微米)。RF代表射頻。圖片來源：Elena Khavina/MIPT

量子體系的一個特徵是所謂的避免能級交叉(圖5)。量子比特的躍遷頻率可以通過外部磁場調整——為此，transmon配備了SQUID磁力計。如果諧振器的頻率與量子比特躍遷頻率一致，則在量子比特的能譜中能觀察到能量分裂——即一個磁通量值對應於兩個特徵躍遷頻率。研究人員在他們的晶元中觀察到了這種現象，並證明了transmon和聲共振器在量子體系中相互作用。

這項研究的基本目標是證明量子光學的現象和效果也適用於聲學。此外，它還提供了構建量子計算機的另一種方法。儘管基於微波的介面實現了令人印象深刻的50-qubit計算，這意味著量子聲學仍有很長的路要走，後一種方法具有許多優勢，可能會在未來派上用場。

圖5：通過諧振器傳輸的信號強度作為信號頻率和磁通量的函數進行顏色編碼。實驗測量結果顯示在(a)旁邊的理論預測(b)基於量子模型方程的解決方案。圖片來源：Elena Khavina/MIPT

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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