Enheten. (a) Schema för enheten. Den artificiella atomen kopplas samtidigt till elektromagnetiska och akustiska system. Mikrovågsfotoner exciterar en artificiell atom (qubit). Atomen genererar i sin tur fononer till den fononiska kristallen. (b) Schematisk representation av provet. Elektromagnetiska vågor fortplantar sig genom en koplanär transmissionsledning och interagerar med en konstgjord atom formad som en transmon. Qubit-shuntkapacitansen består av Np =140 identiska elektrodpar (metalliska ränder). Motsvarande mekaniska substratytoscillationer visas med färggradienter. (c) Mikrofotografi av provet. Tunna strukturer av den fononiska kristallen och SQUID visas i infällningarna. Kredit:Kommunikationsfysik, doi:10.1038/s42005-020-00475-2
Forskare har nyligen visat samspelet mellan supraledande qubits; grundenheten för kvantinformation, med akustiska vågresonatorer på ytan; en ytvågsekvivalent till kristallresonatorn, i kvantfysik. Detta fenomen öppnar ett nytt forskningsfält, definieras som kvantakustodynamik för att möjliggöra utvecklingen av nya typer av kvantenheter. Den största utmaningen i denna satsning är att tillverka akustiska resonatorer i gigahertz-intervallet. I en ny rapport som nu publiceras den Natur Kommunikationsfysik , Aleksey N. Bolgar och ett team av fysiker inom artificiella kvantsystem och fysik, i Ryssland och Storbritannien, detaljerade strukturen för en avsevärt förenklad hybrid akustodynamisk anordning genom att ersätta en akustisk resonator med en fononisk kristall eller akustiskt metamaterial.
Kristallen innehöll smala metallränder på en kvartsyta och denna artificiella atom eller metallföremål interagerade i sin tur med en mikrovågsöverföringsledning. Inom teknik, en transmissionsledning är en kontakt som överför energi från en punkt till en annan. Forskarna använde upplägget för att koppla två frihetsgrader av olika karaktär, dvs akustisk och elektromagnetisk, med ett enda kvantobjekt. Med hjälp av ett spridningsspektrum av fortplantande elektromagnetiska vågor på den konstgjorda atomen visualiserade de akustiska lägen för den fononiska kristallen. Geometrin på enheten gjorde det möjligt för dem att inse effekterna av kvantakustik på ett enkelt och kompakt system.
Superledande kvantsystem
Superledande kvantsystem är lovande för kvantteknik inom kvantinformatik och är grundläggande för nya forskningsriktningar för kvantoptik och artificiella atomer. Dessa system kan lätt uppnå en stark kopplingsregim även till makroskopiska kretselement. Flera forskargrupper hade uppnått kvantakustodynamik (QAD) med hjälp av konstgjorda atomer, där elektromagnetiska vågor kan ersättas med akustiska versioner och fotoner med fononer. I det här arbetet, Bolgar et al. studerade en hybridkrets där en supraledande qubit var starkt kopplad samtidigt till två system av olika karaktär:akustisk och elektromagnetisk, med en fononisk kristall och en endimensionell (1-D) transmissionslinje av elektromagnetiska vågor.
Spridningsspektroskopi. (a) En experimentell kurva (blå) för transmissionsamplituden med en dipp centrerad på qubit-övergångsfrekvensen. Den är försedd med en Lorentzian (röd kurva). (b) Qubit-energispektrumet. Den gröna vertikala linjen visar avsnittet där data för ett diagram (a) mättes. Den gröna streckade rektangeln representerar ett område med spektrallinjedelningar som visas mer detaljerat på en subplot (c). (c) Spektrallinjeuppdelningar som visar interaktion mellan qubit och fyra kvasinormala moder (QNM) för den fononiska kristallen vid fyra frekvenser. (d) Den simulerade färgdiagram för överföringsfas erhållen från simuleringar av systemet. Den återger de experimentella antikorsningar som visas på (c). Kredit:Kommunikationsfysik, doi:10.1038/s42005-020-00475-2
Ett nyckelelement i QAD-experiment inkluderar en mekanisk resonator, som antingen kan vara en bulkresonator eller en ytakustisk våg (SAW) resonator som spelar en liknande roll som en kavitet i kvantelektrodynamik (QED). Akustiska element kan göras kompakta på grund av sin våglängd, vilket vanligtvis är fem storleksordningar kortare än elektromagnetiska vågor. Fysiker hade utfört banbrytande experiment med akustiska bulkresonatorer kopplade till supraledande qubits. Dock, Att integrera sådana bulkresonatorer med elektronik är inte okomplicerat. I denna experimentuppställning, Bolgar et al. använde en qubit för att spela rollen som mellansystemet genom att ansluta de akustiska och elektromagnetiska systemen. Forskarna använde en enda lång fononisk kristall för enhetens akustik för att ge installationen en betydande teknisk fördel.
Enhetens layout
Teamet utvecklade enheten på ett piezoelektriskt substrat av stabil kvarts. Enheten innehöll en qubit av transmon-typ, kapacitivt kopplad till en mikrovågsöverföringsledning. I supraledande kvantberäkning, en transmon är en typ av supraledande laddningskvbit utformad för minskad känslighet för laddningsbrus. Enheten innehöll en interdigital omvandlare (IDT) med lika stora elektroder i form av metallränder. IDT-kapacitansen var proportionell mot antalet elektrodpar. Kapacitanselektroderna var anslutna till en supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) -slinga; en känslig detektor för magnetiskt flöde och fält - som används för att ställa in qubit-energierna. Den periodiska strukturen av de metalliska ränderna i uppställningen bildade en fononisk kristall (eller akustiskt metamaterial), där varje remsa fungerade som en extra massa på kvartsytan. Vågornas grupphastighet var mycket mindre än ljudhastigheten i uppställningen, så att vågorna effektivt kan begränsas i enheten.
Spektrum för kontrollprovet. Fyra qubits är utformade med tre olika fononiska kristallperioder:a1 ≈ 1,1 μm, a2 ≈ 1,0 μm, a3 =a4 ≈ 0,95 μm. Tre av dessa qubits visar sin interaktion med kvasinormala lägen (QNMs) vid deras förutspådda frekvenser runt 2,8 GHz (AC 1), 3,1 GHz (AC 2), och 3,3 GHz (AC 3). Det fjärde qubitspektrumet ligger under dess mekaniska modfrekvens, och, därför, den har ingen antikorsning. Kredit:Kommunikationsfysik, doi:10.1038/s42005-020-00475-2 
Den interdigitala givaren (IDT) som används i konfigurationen, genererade ytakustiska vågor (SAW) som utbreder sig i längdriktningen. I motsats till resonatorer, vågorna reflekterades inte vid gränserna utan läckte ut fritt och som ett resultat, de tillåtna lägena i systemet var kvasinormala, dvs dämpade svängningar. Teamet beskrev sedan hybridsystemets Hamiltonian (en funktion som representerar den totala energin i ett system). I det experimentella systemet, den konstgjorda atomen kopplad till en fononisk kristall interagerade med den elektromagnetiska vågen i transmissionslinjen och teamet beskrev dynamiken hos de spridda vågorna på den konstgjorda atomen, som de mätte med hjälp av transmissionsspektroskopi. Arbetet innehöll information om atomens interaktion med fononiska moder.
De beräknade parametrarna för kvasinormala lägen. (a) Fononspridningskurvans beteende (röd) nära den första Brillouin-kanten. Kvasinormala lägen (QNM) avbildas med blå punkter. De magentafärgade pilarna visar de experimentellt observerade frekvenserna. (b, c) Kvalitetsfaktorer (b) och kopplingsstyrka konstant (c) för en uppsättning QNM nära ett bandgap (vit rektangel). Kvasinormala lägen visas med blå punkter. En orange punkt motsvarar f0, 3 läge. Den experimentella amplituden för en signal som reflekteras från samma geometriska fononiska kristall mätt i ett separat experiment visas i insättningen. Tre dippar motsvarar exciteringen av moderna f−2, 1 =3,248 GHz, f0, 1 =3,264 GHz och f0, 3 =3,283 GHz, som har den högsta kopplingsstyrkan. De experimentella Q-faktorerna som extraheras från bredderna på dessa dopp är Q−2, 1 =380, Q0, 1 =1050, Q0, 3 =950, som stämmer väl överens med beräknade, visas på (b). Kredit:Kommunikationsfysik, doi:10.1038/s42005-020-00475-2
De experimentella resultaten
De experimentella förhållandena gjorde att termiska fluktuationer i installationen kunde ligga långt under energin för ytakustiska fononer, som ligger i gigahertz-intervallet av frekvenser. Forskarna upptäckte atom-våg-interaktionen, som en förändring i fas och amplitud för den sända signalen nära qubit-resonansfrekvensen. De förstärkte den överförda signalen med hjälp av kryogena och rumstemperaturförstärkare och samlade in resultaten under en mängd olika magnetfält för att hitta energiuppdelningen av qubiten. Resultaten av spektrala linjedelningar visade interaktionen mellan qubit och fyra kvasinormala lägen (QNMs) för den fononiska kristallen vid fyra olika frekvenser. De höga kvalitetsfaktorerna (även kallade Q-faktorer) som användes i experimentet ökade med de ökande metallränderna, där högre Q indikerade långsammare spridning av oscillationerna. Denna observation stöddes också genom simuleringar.
Fältfördelningen av kvasinormala lägen. (a) Det rumsliga beroendet av fältet Re (Ai(x)) för det kvasinormala läget f0, 1 (blå) och f1, 1 (grön). Insättningarna visar fältdetaljer med avseende på elektroderna på den interdigitala givaren (IDT). Blå och gröna färger indikerar elektroder med motsatt elektrisk polaritet. (b) Färgkartorna för verklig (5 kolumn) och imaginär (6 kolumn) del av de komplexa potentialamplituderna, beräknas som en fältskillnad på elektrodpar för flera olika lägen. Diagrammen med 7 kolumner visar energifördelning i akustiska vågor. Kredit:Kommunikationsfysik, doi:10.1038/s42005-020-00475-2
Den bredare inverkan på kvantakustik
På det här sättet, Aleksey N. Bolgar och kollegor demonstrerade experimentellt växelverkan mellan en qubit och en ytakustisk våg (SAW) fononisk kristall, bildas via en periodisk metallisk struktur på ytan av ett kvartsmaterial. Teamet hittade den fononiska kristallens lägen i kretsen genom att karakterisera spridningen av elektrodynamiska vågor på en artificiell atom på två nivåer starkt kopplad till kristallen. De visade atomens interaktion med fyra kvasinormala lägen för kristallen. Geometrin hos den konstruerade enheten var enkel och robust och är mer kompakt än befintliga skrymmande inställningar. Resultaten av detta arbete kommer att bidra till att utveckla enheter lämpade för grundläggande kvantakustik.
© 2020 Science X Network
