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    Un cristallo fononico accoppiato a una linea di trasmissione tramite un atomo artificiale

    Il dispositivo. (a) Schemi del dispositivo. L'atomo artificiale è accoppiato contemporaneamente a sistemi elettromagnetici e acustici. I fotoni delle microonde eccitano un atomo artificiale (qubit). L'atomo a sua volta genera fononi nel cristallo fononico. (b) Rappresentazione schematica del campione. Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso una linea di trasmissione complanare e interagiscono con un atomo artificiale a forma di trasmone. La capacità di shunt del qubit è costituita da Np =140 coppie di elettrodi identici (strisce metalliche). Le corrispondenti oscillazioni meccaniche della superficie del substrato sono mostrate da gradienti di colore. (c) Micrografia del campione. Le strutture sottili del cristallo fononico e del calamaro sono mostrate nei riquadri. Credito:Fisica delle Comunicazioni, doi:10.1038/s42005-020-00475-2

    I ricercatori hanno recentemente mostrato l'interazione dei qubit superconduttori; l'unità di base dell'informazione quantistica, con risonatori ad onde acustiche di superficie; un'onda di superficie equivalente del risonatore a cristallo, nella fisica quantistica. Questo fenomeno apre un nuovo campo di ricerca, definito come acustodinamica quantistica per consentire lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi quantistici. La sfida principale in questa impresa è produrre risonatori acustici nella gamma dei gigahertz. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Natura Fisica delle comunicazioni , Aleksey N. Bolgar e un team di fisici in sistemi quantistici artificiali e fisica, in Russia e nel Regno Unito, ha dettagliato la struttura di un dispositivo acustodinamico ibrido notevolmente semplificato sostituendo un risonatore acustico con un cristallo fononico o un metamateriale acustico.

    Il cristallo conteneva sottili strisce metalliche su una superficie di quarzo e questo atomo artificiale o oggetto metallico a sua volta interagiva con una linea di trasmissione a microonde. In ingegneria, una linea di trasmissione è un connettore che trasmette energia da un punto all'altro. Gli scienziati hanno utilizzato la configurazione per accoppiare due gradi di libertà di diversa natura, cioè acustico ed elettromagnetico, con un singolo oggetto quantistico. Usando uno spettro di diffusione di onde elettromagnetiche propaganti sull'atomo artificiale, hanno visualizzato le modalità acustiche del cristallo fononico. La geometria del dispositivo ha permesso loro di realizzare gli effetti dell'acustica quantistica su un sistema semplice e compatto.

    Sistemi quantistici superconduttori

    I sistemi quantistici superconduttori sono promettenti per le tecnologie quantistiche nell'informatica quantistica e sono fondamentali per le nuove direzioni di ricerca dell'ottica quantistica e degli atomi artificiali. Questi sistemi possono facilmente raggiungere un forte regime di accoppiamento anche con elementi circuitali macroscopici. Diversi gruppi di ricerca avevano raggiunto l'acustodinamica quantistica (QAD) utilizzando atomi artificiali, dove le onde elettromagnetiche possono essere sostituite con versioni acustiche e i fotoni con i fononi. In questo lavoro, Bolgar et al. studiato un circuito ibrido in cui un qubit superconduttore era fortemente accoppiato contemporaneamente a due sistemi di diversa natura:acustico ed elettromagnetico, con un cristallo fononico e una linea di trasmissione unidimensionale (1-D) di onde elettromagnetiche.

    Spettroscopia di dispersione. (a) Una curva sperimentale (blu) dell'ampiezza di trasmissione con un calo centrato sulla frequenza di transizione del qubit. È dotato di un Lorentzian (curva rossa). (b) Lo spettro energetico del qubit. La linea verticale verde mostra la sezione in cui sono stati misurati i dati per un grafico (a). Il rettangolo tratteggiato verde rappresenta una regione di divisioni di righe spettrali mostrate in maggior dettaglio su una sottotrama (c). (c) Divisioni di righe spettrali che dimostrano l'interazione tra il qubit e quattro modi quasinormali (QNM) del cristallo fononico a quattro frequenze. (d) Il grafico a colori della fase di trasmissione simulata ottenuto dalle simulazioni del sistema. Riproduce gli anticrossing sperimentali mostrati in (c). Credito:Fisica delle Comunicazioni, doi:10.1038/s42005-020-00475-2

    Un elemento chiave negli esperimenti QAD include un risonatore meccanico, che può essere un risonatore di massa o un risonatore di onde acustiche di superficie (SAW) che svolge un ruolo simile a quello di una cavità nell'elettrodinamica quantistica (QED). Gli elementi acustici possono essere resi compatti grazie alla loro lunghezza d'onda, che è tipicamente cinque ordini di grandezza più corto di quello delle onde elettromagnetiche. I fisici avevano condotto esperimenti pionieristici con risonatori acustici di massa accoppiati a qubit superconduttori. Però, l'integrazione di tali risonatori di massa con l'elettronica non è semplice. In questa configurazione sperimentale, Bolgar et al. ha impiegato un qubit per svolgere il ruolo di sistema intermedio collegando i sistemi acustico ed elettromagnetico. I ricercatori hanno utilizzato un singolo cristallo fononico lungo per l'acustica del dispositivo per fornire alla configurazione un vantaggio tecnico significativo.

    Il layout del dispositivo

    Il team ha sviluppato il dispositivo su un substrato piezoelettrico di quarzo stabile. Il dispositivo conteneva un qubit di tipo transmon, accoppiato capacitivamente ad una linea di trasmissione a microonde. Nel calcolo quantistico superconduttore, un transmon è un tipo di qubit di carica superconduttore progettato per ridurre la sensibilità al rumore di carica. Il dispositivo conteneva un trasduttore interdigitale (IDT) con elettrodi equidistanti sotto forma di strisce metalliche. La capacità IDT era proporzionale al numero di coppie di elettrodi. Gli elettrodi di capacità sono stati collegati a un circuito di dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID); un rivelatore sensibile di flusso magnetico e campo, utilizzato per sintonizzare le energie dei qubit. La struttura periodica delle strisce metalliche nella configurazione formava un cristallo fononico (o metamateriale acustico), dove ogni striscia ha agito come una massa aggiuntiva sulla superficie del quarzo. La velocità di gruppo delle onde era molto più piccola della velocità del suono nella configurazione, consentendo alle onde di essere efficacemente confinate nel dispositivo.

    Lo spettro del campione di controllo. Quattro qubit sono progettati con tre diversi periodi dei cristalli fononici:a1 ≈ 1.1 μm, a2 ≈ 1.0 μm, a3 =a4 ≈ 0,95 µm. Tre di questi qubit dimostrano la loro interazione con modalità quasinormali (QNM) alle frequenze previste intorno a 2,8 GHz (AC 1), 3,1 GHz (CA 2), e 3,3 GHz (AC 3). Il quarto spettro di qubit è al di sotto della sua frequenza di modalità meccanica, e, perciò, non ha un anticrossing. Credito:Fisica delle Comunicazioni, doi:10.1038/s42005-020-00475-2

    Il sistema a due livelli accoppiato ai modi quasinormali

    Il trasduttore interdigitale (IDT) utilizzato nella configurazione, onde acustiche superficiali generate (SAW) che si propagano nella direzione longitudinale. A differenza dei risonatori, le onde non si riflettevano ai bordi ma fuoriuscivano liberamente e di conseguenza, le modalità consentite nel sistema erano quasinormali, cioè oscillazioni smorzate. Il team ha quindi descritto l'Hamiltoniana del sistema ibrido (una funzione che rappresenta l'energia totale di un sistema). Nel sistema sperimentale, l'atomo artificiale accoppiato a un cristallo fononico ha interagito con l'onda elettromagnetica nella linea di trasmissione e il team ha descritto la dinamica delle onde disperse sull'atomo artificiale, che hanno misurato utilizzando la spettroscopia di trasmissione. Il lavoro conteneva informazioni sull'interazione dell'atomo con i modi fononici.

    I parametri calcolati dei modi quasinormali. (a) Il comportamento della curva di dispersione fononica (rossa) vicino al primo bordo di Brillouin. Le modalità quasinormali (QNM) sono rappresentate da punti blu. Le frecce magenta mostrano le frequenze osservate sperimentalmente. (B, c) I fattori di qualità (b) e la costante di forza di accoppiamento (c) per un insieme di QNM vicino a un band gap (rettangolo bianco). Le modalità quasinormali sono rappresentate da punti blu. Un punto arancione corrisponde a f0, 3 modalità. L'ampiezza sperimentale di un segnale riflesso dalla stessa geometria del cristallo fononico misurata in un esperimento separato è mostrata nel riquadro. Tre cali corrispondono all'eccitazione dei modi f-2, 1 =3,248 GHz, f0, 1 =3,264 GHz e f0, 3 =3.283 GHz, che hanno la forza di accoppiamento più elevata. I fattori Q sperimentali estratti dalle larghezze di questi avvallamenti sono Q-2, 1 =380, Q0, 1 =1050, Q0, 3 =950, che sono in buon accordo con quelli calcolati, mostrato in (b). Credito:Fisica delle Comunicazioni, doi:10.1038/s42005-020-00475-2

    I risultati sperimentali

    Le condizioni sperimentali hanno permesso che le fluttuazioni termiche del setup siano ben al di sotto dell'energia dei fononi acustici di superficie, che sono nella gamma di frequenze gigahertz. I ricercatori hanno rilevato l'interazione atomo-onda, come variazione di fase e ampiezza del segnale trasmesso vicino alla frequenza di risonanza del qubit. Hanno amplificato il segnale trasmesso utilizzando amplificatori criogenici ea temperatura ambiente e hanno raccolto i risultati sotto una varietà di campi magnetici per trovare la suddivisione dell'energia del qubit. I risultati delle divisioni delle righe spettrali hanno dimostrato l'interazione tra il qubit e quattro modi quasinormali (QNM) del cristallo fononico a quattro frequenze diverse. I fattori di alta qualità (chiamati anche fattori Q) utilizzati nell'esperimento sono aumentati con l'aumento delle strisce metalliche, dove Q più alto indica una dispersione più lenta delle oscillazioni. Questa osservazione è stata supportata anche tramite simulazioni.

    La distribuzione di campo dei modi quasinormali. (a) La dipendenza spaziale del campo Re (Ai(x)) del modo quasinormale f0, 1 (blu) e f1, 1 (verde). I riquadri mostrano i dettagli del campo rispetto agli elettrodi del trasduttore interdigitale (IDT). I colori blu e verde indicano elettrodi di polarità elettrica opposta. (b) Le mappe dei colori per la parte reale (5 colonne) e immaginaria (6 colonne) delle ampiezze potenziali complesse, calcolato come differenza di campo su coppie di elettrodi per diverse modalità. I grafici della colonna 7 mostrano la distribuzione dell'energia nelle onde acustiche. Credito:Fisica delle Comunicazioni, doi:10.1038/s42005-020-00475-2

    L'impatto più ampio sull'acustica quantistica

    In questo modo, Aleksey N. Bolgar e colleghi hanno dimostrato sperimentalmente l'interazione tra un qubit e un cristallo fononico di onde acustiche di superficie (SAW), formato tramite una struttura metallica periodica sulla superficie di un materiale di quarzo. Il team ha scoperto le modalità del cristallo fononico nel circuito caratterizzando la diffusione delle onde elettrodinamiche su un atomo artificiale a due livelli fortemente accoppiato al cristallo. Hanno mostrato l'interazione dell'atomo con quattro modi quasinormali del cristallo. La geometria del dispositivo progettato era semplice e robusta ed è più compatta delle configurazioni ingombranti esistenti. I risultati di questo lavoro contribuiranno a sviluppare dispositivi adatti per l'acustica quantistica fondamentale.

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