​Исследователи продемонстрировали искусственную квантовую систему, в которой квантовый бит взаимодействует с акустическим резонатором в квантовом режиме. Это позволит изучать на акустических волнах известные эффекты квантовой оптики и развить альтернативный (акустический) подход к созданию квантовых компьютеров, который может обеспечить им большую устойчивость в работе и компактность. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

«До нас никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объёмных резонаторах квантовый режим был показан, но дело далеко не пошло, возможно, из-за сложности производства. Мы же использовали однослойную структуру, которая делается с помощью существующих технологий», — рассказывает Алексей Болгар, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в которой было выполнено исследование.

Учёные изучали взаимодействие сверхпроводящего кубита — трансмона — с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Трансмон ведёт себя как искусственный атом, то есть у него есть энергетические уровни, между которыми он может переходить. Есть стандартный микроволновый подход: если на одном чипе с кубитом расположить микроволновый резонатор, который будет поддерживать и усиливать волну, то кубит может с ним взаимодействовать. Кубит может переходить в возбуждённое или основное состояние, поглощая из резонатора или излучая в него фотон с частотой, равной частоте перехода кубита. При этом резонансная частота самого резонатора изменяется в зависимости от состояния кубита. Таким образом, измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение информации с кубита. Не так давно появилось новое направление, в котором вместо микроволнового излучения (фотонов) используется механическое воздействие (фононы) в виде акустических волн. Несмотря на то, что квантовоакустический подход развит далеко не так сильно, как микроволновый, у него есть много преимуществ.

Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. раз меньше скорости света, следовательно, и длины волн во столько же раз меньше. Размер резонатора должен «подходить» под длину волны. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около 1 сантиметра. Для этого требуется большой резонатор, а чем больше резонатор, тем больше в нём оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности чипа. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита, что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание квантового компьютера. Мировые рекорды составляют порядка 100 микросекунд (0,0 001 секунды). В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра, что позволяет компактно размещать на чипе высокодобротные резонаторы размером 300 микрон.

Кроме того, из-за большой длины волны в микроволновый электромагнитный резонатор сложно поместить два кубита, которые бы взаимодействовали с ним на разных частотах. Поэтому в микроволновом случае для каждого кубита приходится делать отдельный резонатор. В акустическом случае можно сделать несколько кубитов, немного отличающиеся по частоте перехода, и разместить их в одном механическом резонаторе. Таким образом, квантовый чип на звуковых волнах должен быть гораздо компактнее тех, что производят сейчас. К тому же акустодинамика может решить проблему чувствительности квантово-вычислительных систем к электромагнитному шуму.

Авторы статьи использовали резонатор, который работает на поверхностных акустических волнах — это волны, как на поверхности моря, но возникающие на поверхности твёрдого тела. На пьезоэлектрическую подложку из кварца напыляется алюминиевая схема из трансмона, резонатора и двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП). Один ВШП действует как излучатель, другой — как приёмник, между ними лежит пьезоэлектрик — материал, преобразующий электромагнитное воздействие в механическое и наоборот. На пьезоэлектрике возникает поверхностно-акустическая волна, которая бежит и запутывается между зеркалами резонатора. Внутри резонатора находится кубит (трансмон) с двумя энергетическими уровнями, ёмкость кубита тоже организована в виде ВШП. Целью исследования было показать, что он может взаимодействовать с резонатором, возбуждаясь и релаксируя, как квантовый объект. Измерения проводились в криостате, охлаждённом до десятков милликельвинов.

Характерным эффектом для квантового режима является так называемое антипересечение, или квазипересечение, энергетических уровней. Частотой перехода кубита можно управлять с помощью внешнего магнитного поля — для этого у трансмона есть СКВИД-магнетометр. Там, где частота резонатора совпадает с частотой перехода кубита, происходит расщепление в энергетическом спектре кубита: при одном значении магнитного потока имеются две характерные частоты перехода. Учёные пронаблюдали это явление в созданном ими чипе и доказали, что трасмон и акустический резонатор взаимодействуют в квантовом режиме.

Основная глобальная цель — показать, что явления и эффекты квантовой оптики работают на акустике. Кроме того, это альтернативный путь к созданию квантового компьютера. Хотя на микроволновых интерфейсах собирают уже по 50 кубитов и акустическим пока до этого далеко, у квантовой акустики много преимуществ, которые могут пригодиться в будущем.

Кроме сотрудников лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в работе принимали участие учёные из МИСиС, МГПУ и Лондонского университета.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки РФ на технологическом оборудовании МФТИ.

Источники

Ученые создали квантовый чип со звуковым резонатором
Научный портал MSAU.RU, 07/05/2019

Похожие новости

  • 12/02/2019

    Открытие физиков из России помогло создать почти «комнатный» сверхпроводник

    ​Американские исследователи создали сверхпроводник на базе соединения лантана и водорода, сохраняющий свои свойства при температуре всего в минус 13 градусов Цельсия. Результаты первых опытов с ним были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
    245
  • 19/01/2018

    В России создаются двигатели для гиперзвуковых ракет будущего

    ​Прошли успешные испытания так называемых детонационных ракетных двигателей, давшие очень интересные результаты. Опытно-конструкторские работы в этом направлении будут продолжены. Детонация - это взрыв.
    1234
  • 08/05/2019

    Ученые переведут мир на новое время

    ​В природе известно около 3500 атомных ядер. Они значительно меньше атомов и представляют собой плотную упаковку из нейтронов и протонов. Энергии, характерные для переходов между возбужденными состояниями ядер, исчисляются обычно десятками и сотнями килоэлектронвольт, а иногда и мегаэлектронвольтами.
    610
  • 14/05/2019

    В России создали новый полупроводниковый материал для солнечных батарей

    ​Группа российских ученых создала новый полупроводниковый материал без использования свинца, который может быть применен в солнечных батареях для повышения их эффективности. Об этом в понедельник сообщила пресс-служба одного из участников исследования Сколковского института науки и технологий (Сколтеха).
    137
  • 25/04/2019

    Грант от РФФИ на исследование камер сгорания с ультранизким уровнем выбросов загрязняющих веществ

    ​Научный коллектив Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») получил поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) на проведение научного исследования: «Анализ связей и закономерностей процессов турбулентного горения ультрабедных газовых смесей и гидродинамики течения для формирования облика перспективных полноразмерных малоэмиссионных камер сгорания с ультранизким уровнем выбросов вредных веществ и устойчивым процессом горения».
    187
  • 09/07/2018

    Впервые высокодетальный снимок со спутника Аист-2Д принят российским комплексом космического мониторинга «Лоретт»

    Высокодетальный снимок с российского спутника Аист-2Д принят лабораторным комплексом космического мониторинга «Лоретт» (LoReTT - Local Real Time Tool). Аппарат Аист-2Д передал данные на территорию города Перт (Австралия) 15 июня 2018 г.
    393
  • 20/12/2018

    Российские ученые смогут предотвращать авиакатастрофы в условиях обледенения

    Ученые Института прикладной астрономии РАН и Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН запатентовали аппарат прогнозирования обледенений, который сделает использование дорогих реагентов рациональным и предотвратит крушения сотен самолетов.
    790
  • 16/10/2018

    Профессор Ильдар Габитов: электроника зашла в тупик

    ​Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, "Огоньку" рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов.
    503
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    539
  • 18/09/2018

    Директор ИАиЭ СО РАН Сергей Бабин принял участие в заседании научно-технического совета АУ «Технопарк – Мордовия»

    13-14 сентября в Саранске прошло VI заседание Научно-технического совета (НТС) АУ «Технопарк - Мордовия». Мероприятие было посвящено рассмотрению вопроса «Цифровая повестка в волоконной оптике». Ведущие российские учёные и специалисты в сфере научно-технической и инновационной деятельности обсудили завершение проекта по созданию Инжинирингового центра волоконной оптики, работа которого напрямую связана с задачей по построению цифровой экономики, поставленной Президентом России.
    453