Исследователи из России и Великобритании продемонстрировали искусственную систему, в которой квантовый бит взаимодействует со звуковым резонатором в квантовом режиме. Это позволит изучать известные эффекты квантовой оптики на акустических волнах, 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 — рассказывает один из соавторов Алексей Болгар из МФТИ. — Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объемных 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».

Исследователи изучали, как сверхпроводящий кубит специального вида — трансмон — взаимодействует с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Трансмон ведет 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 возбужденное 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 считывать информацию 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.

Схема чипа. Резонатор Фабри-Перо состоит из двух Брэгговских зеркал — каждое состоит из 200 параллельных полос (показаны жёлтым), отстоящих друг от друга на половину длины акустической волны. Длина волны равна 0,98 мкм, или 980 нм. В резонаторе находится кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приёмник и излучатель. Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. Елена Хавина/Пресс-служба МФТИ

Акустические волны распространяются в 100 тысяч раз медленнее скорости света, следовательно, их длины волн во столько же раз меньше при той же частоте. Размер резонатора должен соответствовать длине волны. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около одного сантиметра. Для этого требуется большой резонатор, а чем больше резонатор, тем больше в нем 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 (0,0001 секунды). В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра, что позволяет размещать резонаторы размером 300 микрон компактно на чипе.

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. Эти возмущения напоминают волны на поверхности моря, но возникают на поверхности твердого 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 приемник, 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 с двумя энергетическими уровнями. Целью исследования было показать, что он может взаимодействовать с резонатором, возбуждаясь и релаксируя, как квантовый объект. Измерения проводились при температуре в несколько десятков милликельвин.

Для квантового режима характерно 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 характерных частоты перехода. Ученые пронаблюдали это явление в созданном ими чипе и доказали, что трасмон и акустический резонатор взаимодействуют в квантовом режиме.

Более общей целью подобных исследований — попытка 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.