Kvantinformationsplattformar är baserade på qubits som pratar med varandra och fotoner (optisk och mikrovågsugn) är den bärare du väljer - hittills, för att överföra kvanttillstånd mellan qubits. Dock, i vissa solid-state system, akustiska vibrationsegenskaper hos själva materialet som kallas fononer kan vara fördelaktiga. I en ny studie publicerad på Vetenskapliga framsteg , B. Bienfait och kollegor vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för molekylär teknik, Fysik och materialvetenskap i USA beskrev det deterministiska utsläppet och fångandet av resande (resande) fononer genom en akustisk kommunikationskanal, för att tillåta fononbaserad koherent överföring av kvanttillstånd.

Forskarna underlättade fononöverföring från en supraledande qubit (artificiell atom) till en annan och observerade kvantinvikling (kvanttillstånd för varje partikel som inte kan beskrivas oberoende av den andra tillståndet) av de två qubitsna i en akustisk kanal under studien. Bienfait et al. gav en ny väg för att koppla samman hybridkvant-solid-state-system med ytakustiska vågor som "bra vibrationer" i kvantkommunikation för framtida fononiska applikationer.

Fononer, eller mer specifikt, ytakustiska vågfononer, föreslås som en metod för att koherent koppla avlägsna kvantsystem i fast tillstånd. Till exempel, enskilda fononer i en resonansstruktur kan styras och detekteras med hjälp av supraledande qubits (beskrivs som makroskopiska, litografiskt definierade artificiella atomer) för att generera och mäta komplexa, stationära fonontillstånd sammanhängande. I det nuvarande arbetet, Bienfait et al. rapporterade det deterministiska utsläppet och fångst av akustiska vågfononer på färdiga ytor för att möjliggöra kvantinblandning av två supraledande qubits i en experimentell installation.

De använde en 2 mm lång akustisk kvantkommunikationskanal i experimenten, vilket möjliggjorde en fördröjningslinje på cirka 500 nanosekunder, för att demonstrera utsläpp och återtagande av fononer. Forskarna observerade kvanttillståndsöverföring mellan de två superledande qubiterna med en effektivitet på 67 procent och med partiell överföring av ett fonon, de genererade ett intrasslat Bell -par med en trohet på 84 procent.

Elektromagnetiska vågor har spelat en enastående roll som bärare av kvantinformation mellan avlägsna kvantnoder för distribuerad kvantinformationsbehandling. Tidigare kvantexperiment har använt mikrovågsfoton för att påvisa deterministisk och sannolikhet fjärrtrasselgenerering mellan supraledande qubits för att nå intrasslingstridigheter från 60 till 95 procent. För vissa solid-state kvantsystem, såsom elektrostatiskt definierade kvantpunkter eller elektroniska snurr, en kvantegenskap hos elektroner (även känd som spintronik), starka interaktioner med värdmaterialet har gjort akustiska vibrationer (eller fononer) till ett överlägset alternativ jämfört med fotonkandidaterna.

Till exempel, ytakustiska våg (SAW) -fononer föreslås som ett universellt medium för att koppla fjärrkvantsystem. Dessa fononer kan också effektivt konvertera mellan mikrovågsugn och optiska frekvenser, koppla mikrovågs qubits till optiska fotoner. Som ett resultat, många förslag har följt experiment för att visa koherent utsläpp och detektering av resande SAW -fononer med en supraledande qubit, med ljud som tar ljusets roll. Forskare har använt resande SAW -fononer för att överföra elektroner mellan kvantpunkter för att transportera enkla elektroner, kopplad till kvävevakanscentra och till och med driva kiselkarbidspinn. I tidigare arbeten, forskare hade också konstruerat stående våg-SAW-fononer sammanhängande kopplade till supraledande qubits för skapandet på begäran, detektering och kontroll av kvantakustiska tillstånd.

Därför, i det nuvarande arbetet, Bienfait et al. använde resande (resande) SAW -fononer för att realisera överföringen av kvanttillstånd mellan två supraledande qubits experimentellt. I den akustiska delen av enheten, de använde en SAW-resonator med ett effektivt Fabry-Pérot-spegelavstånd på 2 mm, för att generera ett enkelpassande resefonon med en restid på cirka 0,5 mikrosekunder (µs). Genom design, kopplingen mellan qubit- och Fabry-Pérot-läget i systemet gjorde att fononen kunde injiceras helt i den akustiska kanalen. Bienfait et al. kopplade sedan resonatorn till två frekvensinställbara supraledande "Xmon" qubits, Q1 och Q2 (där 'Xmon qubits' först introducerades av Barends et al), medan de styr deras koppling elektroniskt med två andra avstämbara kopplingar, G1 och G2. Forskarna kunde byta varje kopplare från maximal koppling till av på några nanosekunder för att isolera qubitsna.

Forskarna konstruerade de avstämbara kopplingarna, qubits och deras respektive kontroll- och avläsningslinjer på ett safirsubstrat medan SAW -resonatorn konstrueras på ett separat litiumniobatsubstrat. För SAW -resonatorn, de använde två akustiska speglar med två Bragg-speglar (dielektriska speglar) på varje sida av den centrala akustiska emitter-mottagaren. För den akustiska sändaren, de använde en interdigital givare (IDT) ansluten till en gemensam elektrisk port.

Forskarna applicerade en elektrisk puls på IDT för att bilda två symmetriska SAW -pulser, som reste i motsatta riktningar, speglar av speglarna för att slutföra en tur och retur på 508 nanosekunder. Bienfait et al kontrollerade kopplingen av qubits till IDT, för att underlätta tidsdomänformad utsändning av resande fononer till resonatorn. För att karakterisera utsläpp i experimenten, de upphetsade qubit först och övervakade dess befolkning i upphetsat tillstånd innan de tog hänsyn till det förfallna excitationsläget som en produkt av fononemission.

Forskarna visade därefter experimentellt utsläpp och fångst av en resande fonon som använder en en-qubit, enkelfonon "pingis" -experiment med qubit Q1. I experimentet, de ställer in kopplingen G1 på ett maximalt medan de stänger av G2-kopplaren för att övervaka befolkningen i upphetsat tillstånd (P _e ) av Q1. De visade att utsläppen tog cirka 150 ns, varefter P _e förblev nära noll under fonontransport i den experimentella installationen. Efter cirka 0,5 µs, Bienfait et al. kunde återta de återvändande fononerna med en inspelningseffektivitet på 67 procent.

Under på varandra följande transiteringar, forskarna observerade en geometrisk minskning av infångningseffektiviteten, som de krediterade förluster inom den akustiska kanalen. De genomförde sedan kvantprocessstomografi av en-qubit frigörings-och-fång-operationen genom att rekonstruera processmatrisen med tiden. Kvantprocess-tomografitekniken är det mest lämpliga och effektiva systemet för att analysera kvantsystem när interaktioner mellan två kroppar inte är naturligt tillgängliga.

Därefter, forskarna visade den interferometriska karaktären hos en-qubit-fononemissions- och fångstprocessen. Eftersom det är utmanande att övervaka systemet för kvantinvikling och mekanisk överlagring under kvantdekoherens (kvantförfall eller förlust av kvantbeteende hos partiklar), Bienfait et al förberedde Q1 i ett övergångstillstånd för att avge ett halvfonon och fångade upp det igen med Q1 efter en transit. Forskarna definierade fångst som tidsomvändning av utsläpp och förutspådde att de två halva kvanten antingen kommer att störa destruktivt för att orsaka re-excitation av qubit, eller konstruktivt för dess totala utsläpp i den experimentella installationen.

Som förutsagt, de visade att när den reflekterade halvfononen störde konstruktivt den utsända halva fononen som lagrades i Q1 - den totala energin som överfördes till SAW -resonatorn, medan destruktiv interferens resulterade i qubit re-excitation. Forskarna använde en simulering för att inkludera kanalförlust och qubit dephasing, för att replikera experimentella observationer och kreditera eventuell felanpassning av simuleringen till brister i systemet. På det här sättet, Bienfait et al använde den experimentella akustiska kommunikationskanalen för att överföra kvanttillstånd och generera fjärransträngning mellan de två qubiterna.

Forskarna visade också kvantbyte mellan de två qubitsna, Q1 och Q2, med hjälp av installationen. Detta var möjligt eftersom forskarna sekventiellt kunde lagra upp till tre resande fononer i SAW -resonatorn. Processen hade en hög trovärdighet, och forskarna krediterade alla avvikelser från akustiska förluster. Som förut, de använde den akustiska kanalen för att generera fjärrkvantinvikling mellan Q1 och Q2 för att skapa ett Bell -tillstånd.

På det här sättet, Bienfait et al. experimentellt visade tydliga och övertygande resultat för kontrollerad frisättning och fångst av resande fononer i en begränsad Fabry-Pérot-resonator, främst begränsad av akustiska förluster. De visade att utsläpps- och fångstprocesser inte bestämdes av resonatorns längd, så samma processer var tillämpliga på en icke-resonans akustisk enhet. Totalt, forskarna detaljerade processer för att experimentellt generera high fidelity -intrassling mellan två qubits. Dessa resultat kommer att utgöra ett steg framåt för att förverkliga grundläggande kvantkommunikationsprotokoll med fononer.

© 2019 Science X Network