I en nyligen genomförd studie forskare vid University of Colorado har löst phonon Fock -tillstånd i spektrumet av en supraledande qubit kopplad till en multimod akustisk hålighet. Focktillstånd (eller taltillstånd) är kvanttillstånd med ett klart definierat antal partiklar. Dessa tillstånd spelar en avgörande roll i den andra kvantiseringsformuleringen av kvantmekanik.

I deras papper, publicerad i Fysisk granskning X , forskarna beskriver hur de kopplade en qubit till ytan akustiska vågor och framgångsrikt konstruerade ett skarpt frekvensberoende i qubit-fonon-interaktionen. Interferensen som resulterar från denna process genererade en högkontrastfrekvensstruktur i qubit-fonon-interaktionen.

"Inspirerad av framgångsrik användning av qubits för att kontrollera kvanttillstånd av ljus, vi ville utforska vad vi kan uppnå genom att koppla qubits till ljud, "Lucas Sletten, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi frågade oss själva:Är det möjligt att lösa att ljudet i ett fast är, faktiskt, kvantiserat? Kan ljud användas för att lagra och bearbeta kvantinformation? Kan dessa partikelliknande kvantiteter av ljud, kallade fononer, räknas utan att förstöra dem? Om så är fallet, kan du spela det här tricket med mer än ett läge åt gången? Och mer allmänt, vad är möjligt med ljud som inte kan göras med ljus? "

Sletten och hans kollegor använde en enhet som består av en supraledande qubit som interagerar starkt med fononer fångade i ett akustiskt hålrum. Enheten placerades inuti en mikrovågsresonator som fungerar som en känslig sond för qubit. Detta gjorde det möjligt för forskarna att mäta och kontrollera qubit, samtidigt som den observerar dess interaktion med fononer.

"Fononerna lever i en akustisk resonator som fungerar som ett musikinstrument, men vid frekvenser 20 oktaver över den högsta tonen på ett piano, "Sa Sletten." Precis som ett instrument, det finns olika anteckningar, eller lägen, som kan leva inom vår resonator. Den elektriska analogen för en sådan multilägesresonator skulle vara många meter lång och en mardröm att implementera på chip. "

Ett läge i resonatorn motsvarar ett heltal krusningar som passar exakt in i lådan, eller hålighet, som begränsar ljudvågorna. För att känna rörelsen hos de instängda fononerna, Sletten och hans kollegor kopplade qubit till akustisk resonator med hjälp av en givare som omvandlar rörelse till elektrisk ström. När ljudet upphetsas i sin resonator, därför, qubit ser en ström som förändrar dess energi.

"Vi konstruerade ett system som är tillräckligt känsligt för att även det tystaste ljud som tillåts av kvantmekanik, en partikelliknande enkel fonon, förskjuter vår qubits energi tillräckligt för att vi ska märka, "Sade Sletten." Dessutom, denna upptäckt förstör inte de fononer vi mäter. Vi kan räkna fononer inte bara för ett läge i hålrummet utan för flera, visar att vi kan dra full nytta av vår flermodulhålighet. "

Resultaten som samlats in av Sletten och hans kollegor visar att supraledande qubits kan interagera med ljudvågor starkt nog för att avslöja ljudets kvantitet, utan att ett direkt utbyte av energi sker. Genom att uppnå känsligheter som är tillräckligt höga för att bryta en ljudvåg i kvantiserade delar, forskarna har gått ett steg närmare att uppnå utmärkt kvantkontroll av akustiska system.

"En annan inblick från vårt arbete är att ljudets långsamhet kan vara en värdefull resurs i konstruktion av kvantsystem, "Sa Sletten." Den långa tid det tar för ett fonon att studsa fram och tillbaka mellan speglarna är det som gör att hålrummet kan stödja flera lägen. Dessutom, vi utnyttjar en lång fördröjning införd i mitten av vår givare för att exakt styra hur qubiten interagerar med varje läge, en avgörande förmåga att räkna fononer i ett flermodigt hålrum. "

I framtiden, den forskning som utförts av Sletten och hans kollegor kan bana väg för utveckling av effektiva tekniker för att kontrollera akustiska kvanttillstånd. Under tiden, forskarna planerar att fortsätta utforska användningen av fononer inom kvantvetenskap.

Till exempel, de skulle vilja undersöka om det är möjligt att trassla ihop flera olika fononlägen ('anteckningar') baserat på deras gemensamma interaktion med en qubit. Om det bekräftas experimentellt, detta skulle bevisa den stora potentialen för fononer för applikationer för kvantinformationsbehandling.

"Akustiska system är också ett lovande gränssnitt mellan olika kvantplattformar, som superledande qubits, kvantprickar, och optiska fotoner, och kan också visa sig kraftfulla verktyg för att undersöka de typer av ytfysik som kan begränsa vissa banbrytande kvanttekniker, "Tillade Sletten.

© 2019 Science X Network