Dispositivo sperimentale. (da A a C) Micrografia del dispositivo assemblato con flip-chip (A), con due qubit superconduttori (Q1 e Q2, blu), collegato a due accoppiatori sintonizzabili (G1 e G2, viola), fabbricato su zaffiro (B). Questi sono collegati tramite due induttori sovrapposti (verde) a un risonatore SAW (C), fabbricato su niobato di litio. Il risonatore SAW comprende due specchi Bragg (arancione), distanziati di 2 mm, definendo una cavità acustica Fabry-Pérot sondata da un trasduttore interdigitato (rosso). I contorni rosso e blu in (A) rappresentano le posizioni di (B) e (C), rispettivamente. (D) Schema circuitale semplificato, con la casella grigia che indica gli elementi sul chip di niobato di litio capovolto. (E) Popolazione in stato eccitato Pe per qubit Q1, con accoppiatore G1 impostato al massimo e G2 spento. Q1 è preparato in |e⟩ usando un impulso , la sua frequenza impostata su ωQ1 (scala verticale) per un tempo t (scala orizzontale), prima della lettura dispersiva della sua popolazione eccitata Pe (28). Q1 si rilassa a causa dell'emissione di fononi tramite l'IDT, e se la sua frequenza è all'interno della banda di stop dello specchio da 3,91 a 4,03 GHz, il fonone emesso viene riflesso e genera revival di eccitazione dei qubit ai tempi τ (linea arancione) e 2τ. Il riquadro mostra la sequenza degli impulsi. (F) Tempo di decadimento dell'energia qubit misurato T1 per ωQ, i/2π=3,95 GHz in funzione della fase di giunzione Josephson dell'accoppiatore δi, mostrando che l'emissione di qubit può essere considerevolmente più veloce del tempo di transito dei fononi (linea arancione), sia per Q1 (cerchi) che per Q2 (quadrati). Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aaw8415
Le piattaforme di informazione quantistica si basano su qubit che parlano tra loro e i fotoni (ottici e microonde) sono il vettore di scelta, ad oggi, trasferire stati quantistici tra qubit. Però, in alcuni sistemi a stato solido, le proprietà vibrazionali acustiche del materiale stesso note come fononi possono essere vantaggiose. In un recente studio pubblicato su Progressi scientifici , B. Bienfait e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di Ingegneria Molecolare, La fisica e la scienza dei materiali negli Stati Uniti hanno descritto l'emissione deterministica e la cattura di fononi itineranti attraverso un canale di comunicazione acustica, per consentire il trasferimento coerente basato sui fononi di stati quantistici.
Gli scienziati hanno facilitato il trasferimento di fononi da un qubit superconduttore (atomo artificiale) a un altro e hanno osservato l'entanglement quantistico (stato quantistico di ciascuna particella che non può essere descritto indipendentemente dallo stato dell'altra) dei due qubit in un canale acustico durante lo studio. Bienfait et al. ha fornito un nuovo percorso per accoppiare sistemi ibridi quantistici a stato solido utilizzando onde acustiche di superficie come "buone vibrazioni" nella comunicazione quantistica per future applicazioni fononiche.
fononi, o più precisamente, fononi di superficie dell'onda acustica, vengono proposti come metodo per accoppiare coerentemente sistemi quantistici distanti allo stato solido. Ad esempio, i singoli fononi in una struttura risonante possono essere controllati e rilevati utilizzando qubit superconduttori (descritti come macroscopici, atomi artificiali definiti litograficamente) per generare e misurare complessi, stati fononici stazionari coerentemente. Nel presente lavoro, Bienfait et al. hanno riportato l'emissione deterministica e la cattura di fononi di onde acustiche di superficie in viaggio per consentire l'entanglement quantistico di due qubit superconduttori in una configurazione sperimentale.
Hanno usato un canale di comunicazione quantistica acustica lungo 2 mm negli esperimenti, che ha permesso una linea di ritardo di circa 500 nanosecondi, per dimostrare l'emissione e la ricattura dei fononi. Gli scienziati hanno osservato il trasferimento di stato quantistico tra i due qubit superconduttori con un'efficienza del 67 percento e utilizzando il trasferimento parziale di un fonone, hanno generato una coppia di Bell entangled con una fedeltà dell'84 percento.
Le onde elettromagnetiche hanno svolto un ruolo singolare come vettori di informazioni quantistiche tra nodi quantistici distanti per l'elaborazione distribuita delle informazioni quantistiche. Precedenti esperimenti quantistici hanno utilizzato fotoni a microonde per dimostrare la generazione di entanglement remoto deterministico e probabilistico tra qubit superconduttori per raggiungere fedeltà di entanglement che vanno dal 60 al 95 percento. Per alcuni sistemi quantistici allo stato solido, come punti quantici definiti elettrostaticamente o spin elettronici, una proprietà quantistica degli elettroni (nota anche come spintronica), forti interazioni con il materiale ospite hanno reso le vibrazioni acustiche (o fononi) un'alternativa superiore rispetto ai fotoni candidati.
Per esempio, I fononi delle onde acustiche di superficie (SAW) sono proposti come mezzo universale per accoppiare sistemi quantistici remoti. Questi fononi possono anche convertire efficacemente tra microonde e frequenze ottiche, collegando qubit a microonde a fotoni ottici. Di conseguenza, molte proposte hanno seguito esperimenti per mostrare l'emissione coerente e il rilevamento di fononi SAW in viaggio da parte di un qubit superconduttore, con il suono che assume il ruolo di luce. Gli scienziati hanno utilizzato i fononi SAW in viaggio per trasferire elettroni tra punti quantici per trasportare singoli elettroni a navetta, accoppiato ai centri di vacanza di azoto e persino guidare gli spin del carburo di silicio. Nei lavori precedenti, i ricercatori avevano anche progettato fononi SAW a onde stazionarie accoppiati in modo coerente a qubit superconduttori per la creazione su richiesta, rilevamento e controllo di stati acustici quantistici.
SINISTRA:Schema elettrico semplificato, con la casella grigia che indica gli elementi sul chip di niobato di litio capovolto. A DESTRA:(A-B) Micrografie elettroniche a scansione che descrivono in dettaglio gli specchi IDT e Bragg. (C) tasso di decadimento qubit estratto misurato al massimo accoppiamento. Il decadimento è dominato dall'emissione di fononi dall'IDT. I cerchi blu vengono estratti da un adattamento di decadimento esponenziale; la linea rossa tratteggiata è il modello di circuito previsto. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aaw8415
Perciò, nel presente lavoro, Bienfait et al. utilizzato fononi SAW viaggianti (itinerante) per realizzare sperimentalmente il trasferimento di stati quantistici tra due qubit superconduttori. Nella parte acustica del dispositivo, hanno usato un risonatore SAW con una distanza effettiva dello specchio Fabry-Pérot di 2 mm, per generare un fonone viaggiante a passaggio singolo con un tempo di viaggio di circa 0,5 microsecondi (µs). In base alla progettazione, l'accoppiamento tra il qubit e la modalità Fabry-Pérot nel sistema ha permesso di iniettare completamente il fonone nel canale acustico. Bienfait et al. quindi accoppiato il risonatore a due qubit "Xmon" superconduttori sintonizzabili in frequenza, Q1 e Q2 (dove "Xmon qubits" è stato introdotto per la prima volta da Barends et al), controllando elettronicamente il loro accoppiamento utilizzando altri due accoppiatori sintonizzabili, G1 e G2. Gli scienziati potrebbero disattivare ogni accoppiatore dall'accoppiamento massimo in pochi nanosecondi per isolare i qubit.
Gli scienziati hanno progettato gli accoppiatori sintonizzabili, qubit e le rispettive linee di controllo e lettura su un substrato di zaffiro durante la costruzione del risonatore SAW su un substrato di niobato di litio separato. Per il risonatore SAW, hanno usato due specchi acustici con due specchi Bragg (specchi dielettrici) su ciascun lato della configurazione emettitore-ricevitore acustico centrale. Per l'emettitore acustico, hanno utilizzato un trasduttore interdigitale (IDT) collegato a una porta elettrica comune.
Gli scienziati hanno applicato un impulso elettrico all'IDT per formare due impulsi SAW simmetrici, che viaggiava in direzioni opposte, riflettendo gli specchi per completare un viaggio di andata e ritorno in 508 nanosecondi. Bienfait et al hanno controllato l'accoppiamento di qubit a IDT, per facilitare l'emissione modellata nel dominio del tempo di fononi in viaggio nel risonatore. Per caratterizzare l'emissione negli esperimenti, hanno eccitato prima il qubit e monitorato la sua popolazione allo stato eccitato prima di prendere in considerazione lo stato di eccitazione in decadimento come prodotto dell'emissione di fononi.
(A) Gli impulsi di controllo calibrati (inserto) assicurano il rilascio di un fonone simmetrico nel tempo e la sua cattura efficiente. I cerchi rappresentano la popolazione dello stato eccitato misurata di Q1 quando si interrompe la sequenza dopo un tempo t. (B) Misurazione della popolazione dello stato eccitato di Q1 mentre si analizza il ritardo tra l'emissione e gli impulsi di controllo della cattura, evidenziando una popolazione geometricamente decrescente con il numero dei transiti (linea grigia). (C) Tomografia di processo quantistico al punto di massima efficienza di (B), con una fedeltà di processo F1=0.83±0.002. (I) sta per l'operatore di identità e X, si, e Z per gli operatori di Pauli. In (A) a (C), le linee tratteggiate indicano i risultati di una simulazione dell'equazione principale che include un'efficienza di trasferimento finita e imperfezioni di qubit. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aaw8415
Gli scienziati hanno poi mostrato sperimentalmente l'emissione e la cattura di un fonone viaggiante che impiega un qubit, esperimento "ping-pong" a singolo fonone usando qubit Q1. Nell'esperimento, impostano l'accoppiatore G1 al massimo mentre disattivano l'accoppiatore G2 per monitorare la popolazione dello stato eccitato (P e ) di Q1. Hanno mostrato che l'emissione ha richiesto circa 150 ns, dopo di che P e è rimasto vicino allo zero durante il transito dei fononi nel setup sperimentale. Dopo circa 0,5 µs, Bienfait et al. sono stati in grado di catturare nuovamente i fononi di ritorno con un'efficienza di cattura del 67 percento.
Durante i successivi transiti, gli scienziati hanno osservato una diminuzione geometrica dell'efficienza di cattura, che hanno accreditato alle perdite all'interno del canale acustico. Hanno quindi condotto la tomografia del processo quantistico dell'operazione di rilascio e cattura di un qubit ricostruendo la matrice del processo nel tempo. La tecnica della tomografia a processo quantistico è lo schema più appropriato ed efficiente per analizzare i sistemi quantistici quando le interazioni a due corpi non sono naturalmente disponibili.
Con Q1 inizialmente preparato in |e⟩, un segnale di controllo su G1 rilascia e successivamente riprende mezzo fonone al risonatore. Contemporaneamente, un impulso di detuning di 20 MHz di durata variabile viene applicato a Q1 per cambiarne la fase di . (A) Popolazione allo stato eccitato Q1 misurata quando si interrompe la sequenza dopo un tempo t, con una differenza di fase ∆ϕ =0 (quadrati) o π (cerchi). Il riquadro mostra la sequenza di controllo. (B) Q1 stato finale Pe(t=tf) per tf=0.65 μs in funzione della differenza di fase tra mezzo fotone e mezzo fonone. I cerchi sono punti sperimentali. Le linee tratteggiate sono simulazioni basate su un modello di teoria input-output. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aaw8415
Successivamente, gli scienziati hanno dimostrato la natura interferometrica dell'emissione di fononi a un qubit e del processo di cattura. Poiché è difficile monitorare lo schema per l'entanglement quantistico e la sovrapposizione meccanica durante la decoerenza quantistica (decadimento quantistico o perdita del comportamento quantistico delle particelle), Bienfait et al hanno preparato Q1 in uno stato di transizione per emettere un semifonone e lo hanno catturato di nuovo con Q1 dopo un transito. Gli scienziati hanno definito la cattura come l'inversione temporale dell'emissione e hanno previsto che i due mezzi quanti interferiranno in modo distruttivo per causare la rieccitazione del qubit, o costruttivamente per la sua emissione totale nel setup sperimentale.
Come previsto, hanno mostrato che quando il semifonone riflesso interferiva in modo costruttivo con il semifonone emesso immagazzinato in Q1, l'energia totale trasferita al risonatore SAW, mentre l'interferenza distruttiva ha provocato la rieccitazione dei qubit. Gli scienziati hanno utilizzato una simulazione per includere la perdita di canale e la sfasatura dei qubit, replicare le osservazioni sperimentali e attribuire qualsiasi mancata corrispondenza della simulazione alle imperfezioni del sistema. In questo modo, Bienfait et al hanno utilizzato il canale di comunicazione acustica sperimentale per trasferire stati quantistici e generare un entanglement remoto tra i due qubit.
(A) Scambio di stato Qubit tramite il canale acustico, con impulsi di controllo mostrati a sinistra. (B) Entanglement acustico. Con Q1 inizialmente in |e⟩, un segnale di controllo applicato a G1 rilascia mezzo fonone al canale, catturato in seguito da Q2. In (A) e (B), cerchi e quadrati sono popolazioni di stato eccitato Q1 e Q2 misurate simultaneamente dopo un tempo t. (C e D) Valori di aspettativa degli operatori di Pauli a due qubit (C) per la matrice di densità dello stato di Bell ricostruita (D) a t =0,65 μs. In (C) e (D), le linee continue indicano i valori attesi per lo stato Bell ideale |Ψ⟩=(|eg⟩+|ge⟩)/2–√. In (A) a (D), le linee tratteggiate sono risultati di simulazione che includono un'efficienza di trasferimento finita e imperfezioni di qubit. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aaw8415
I ricercatori hanno anche dimostrato lo scambio quantistico tra i due qubit, Q1 e Q2, utilizzando la configurazione. Ciò era possibile poiché gli scienziati potevano memorizzare in sequenza fino a tre fononi in viaggio nel risonatore SAW. Il processo ha avuto un alto tasso di fedeltà, e gli scienziati hanno attribuito qualsiasi deviazione alle perdite acustiche. Come prima, hanno usato il canale acustico per generare un entanglement quantistico remoto tra Q1 e Q2 per creare uno stato Bell.
In questo modo, Bienfait et al. ha mostrato sperimentalmente risultati chiari e convincenti per il rilascio controllato e la cattura di fononi in viaggio in un risonatore Fabry-Pérot confinato, principalmente limitato da perdite acustiche. Hanno dimostrato che i processi di emissione e cattura non erano determinati dalla lunghezza del risonatore, quindi gli stessi processi erano applicabili a un dispositivo acustico non risonante. In totale, gli scienziati hanno dettagliato i processi per generare sperimentalmente un entanglement ad alta fedeltà tra due qubit. Questi risultati costituiranno un passo avanti per realizzare protocolli di comunicazione quantistica fondamentali con fononi.
© 2019 Scienza X Rete
