Ricercatori russi e britannici hanno dimostrato un sistema quantistico artificiale in cui un bit quantistico interagisce con un risonatore acustico in regime quantistico. Ciò consente di applicare i principi dell'ottica quantistica nello studio delle onde acustiche e consente un approccio alternativo alla progettazione di computer quantistici basato sull'acustica. Potrebbe anche rendere i computer quantistici più stabili e compatti. Il documento che riporta i risultati è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .

"Siamo i primi a dimostrare un'interazione tra un qubit e un risonatore di onde acustiche di superficie nel regime quantistico. In precedenza, sono stati studiati risonatori di questo tipo, ma senza qubit. Allo stesso modo, sono stati studiati i qubit con onde acustiche di superficie, ma quelle erano onde che correvano, senza risonatore. Il regime quantistico è stato dimostrato su risonatori bulk, ma questo non è andato lontano, forse a causa di difficoltà di fabbricazione. Abbiamo utilizzato una struttura planare fabbricata con tecnologie esistenti, "dice Aleksey Bolgar, ricercatore presso l'Artificial Quantum Systems Lab del MIPT, dove è stato condotto lo studio.

I ricercatori hanno studiato l'interazione di un qubit superconduttore, un transmone, con onde acustiche di superficie in un risonatore (figura 1). Il transmone si comporta come un atomo artificiale, cioè ha un certo numero di livelli energetici (figura 2) e subisce transizioni tra di loro. L'approccio a microonde convenzionale consiste nell'avere un chip che contiene sia il qubit che un risonatore a microonde che supporta e amplifica l'onda. In questa configurazione, il qubit può interagire con il risonatore sia assorbendo un fotone da esso ed entrando in uno stato eccitato o emettendo un fotone in esso e ritornando allo stato fondamentale, a condizione che la frequenza del fotone corrisponda alla frequenza di transizione del qubit. La frequenza di risonanza del risonatore stesso varia a seconda dello stato del qubit. Perciò, modificando le caratteristiche del risonatore, è possibile leggere le informazioni dal qubit.

Recentemente è emerso un approccio alternativo. Invece la radiazione a microonde (fotoni), utilizza eccitazioni meccaniche, o fononi, sotto forma di onde acustiche. Questo approccio acustico quantistico è stato sviluppato in misura molto minore, rispetto alla sua controparte a microonde, ma ha una serie di vantaggi.

Poiché le onde acustiche si propagano 100, 000 volte più lento della luce, la loro lunghezza d'onda è di conseguenza più corta. La dimensione di un risonatore deve "adattarsi" alla lunghezza d'onda utilizzata. In un sistema quantistico a microonde, la lunghezza d'onda è di circa 1 centimetro al massimo. Ciò significa che il risonatore deve essere abbastanza grande, ma più è grande, più difetti ha, poiché sono inevitabilmente presenti sulla superficie del chip. A causa di questi difetti, la durata di uno stato qubit è breve, compromettendo i calcoli quantistici su larga scala e complicando la creazione di computer quantistici. Al momento, il record mondiale per la durata più lunga è di circa 100 microsecondi, o un decimillesimo di secondo. Sotto l'approccio acustico, la lunghezza d'onda è pari a circa 1 micrometro, quindi è possibile montare risonatori di alta qualità che misurano solo 300 micrometri sul chip.

Un altro problema con le microonde è che le lunghe lunghezze d'onda rendono impossibile mettere due qubit in un risonatore per consentire l'interazione a frequenze diverse. Di conseguenza, è necessario un risonatore separato per ogni qubit (vedi figura 3). Nell'approccio acustico, un risonatore meccanico può ospitare diversi qubit con frequenze di transizione leggermente diverse. Ciò significa che un chip quantistico basato su onde sonore sarebbe molto più piccolo di quelli disponibili ora. Inoltre, l'acustodinamica potrebbe risolvere il problema della sensibilità del sistema quantistico al rumore elettromagnetico.

Gli autori dell'articolo hanno utilizzato un risonatore per le onde acustiche di superficie. Questi sono in qualche modo simili alle onde del mare ma si propagano nei solidi. La Figura 4 mostra il chip creato nello studio. Un circuito in alluminio è depositato su un substrato piezoelettrico di quarzo. Il circuito è costituito da un transmon, un risonatore, e due trasduttori interdigitali. I due trasduttori fungono da trasmettitore e ricevitore. Fra loro, è presente uno strato piezoelettrico costituito da un materiale che converte lo stress meccanico in elettricità e viceversa. Un'onda acustica superficiale generata sul materiale piezoelettrico viene catturata tra i due reticoli di Bragg del risonatore. Il qubit, o trasmutare, contenuto nel risonatore ha due livelli di energia, e la capacità del qubit è implementata come trasduttori interdigitali. Lo scopo dello studio era dimostrare che il qubit può interagire con il risonatore, eccitandosi e rilassandosi come farebbe un sistema quantistico. Le misurazioni sono state effettuate in un criostato a temperature nell'ordine delle decine di millikelvin.

Una caratteristica del regime quantistico è il cosiddetto attraversamento evitato dei livelli energetici (figura 5). La frequenza di transizione del qubit può essere sintonizzata tramite un campo magnetico esterno:per abilitarlo, il transmon è dotato di un magnetometro SQUID. Se la frequenza del risonatore coincide con la frequenza di transizione del qubit, la scissione dell'energia è osservata nello spettro energetico del qubit, ovvero, un valore di flusso magnetico corrisponde a due frequenze di transizione caratteristiche. I ricercatori hanno osservato questo fenomeno nel loro chip e hanno mostrato che il transmone e il risonatore acustico interagiscono nel regime quantistico.

L'obiettivo fondamentale di questa ricerca è dimostrare che i fenomeni e gli effetti dell'ottica quantistica si applicano anche all'acustica. Inoltre, fornisce un modo alternativo per costruire un computer quantistico. Nonostante le interfacce basate su microonde raggiungano un impressionante conteggio di 50 qubit, il che significa che l'acustica quantistica ha ancora molta strada da fare, quest'ultimo approccio presenta numerosi vantaggi che potrebbero tornare utili in futuro.