Dispositivo experimental. (A a C) Micrografia do dispositivo flip-chip montado (A), com dois qubits supercondutores (Q1 e Q2, azul), conectado a dois acopladores sintonizáveis (G1 e G2, roxa), fabricado em safira (B). Eles são conectados por meio de dois indutores sobrepostos (verde) a um ressonador SAW (C), fabricado em niobato de lítio. O ressonador SAW compreende dois espelhos Bragg (laranja), espaçado por 2 mm, definir uma cavidade acústica Fabry-Pérot sondada por um transdutor interdigitado (vermelho). Os contornos vermelho e azul em (A) representam as localizações de (B) e (C), respectivamente. (D) Diagrama de circuito simplificado, com a caixa cinza indicando os elementos no chip invertido de niobato de lítio. (E) População de estado excitado Pe para qubit Q1, com o acoplador G1 definido para o máximo e G2 desligado. Q1 é preparado em | e⟩ usando um pulso π, sua frequência definida para ωQ1 (escala vertical) por um tempo t (escala horizontal), antes da leitura dispersiva de sua população excitada Pe (28). Q1 relaxa devido à emissão de fônon através do IDT, e se sua frequência estiver dentro da banda de parada do espelho de 3,91 a 4,03 GHz, o fônon emitido é refletido e gera renascimentos de excitação qubit nos tempos τ (linha laranja) e 2τ. A inserção mostra a sequência de pulso. (F) Tempo de decaimento de energia qubit medido T1 para ωQ, i / 2π =3,95 GHz em função da fase de junção de Josephson do acoplador δi, mostrando que a emissão de qubit pode ser consideravelmente mais rápida do que o tempo de trânsito de fônon (linha laranja), para Q1 (círculos) e Q2 (quadrados). Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aaw8415
As plataformas de informação quântica são baseadas em qubits que se comunicam e os fótons (ópticos e de micro-ondas) são os portadores de escolha - até o momento, para transferir estados quânticos entre qubits. Contudo, em alguns sistemas de estado sólido, propriedades vibracionais acústicas do próprio material conhecido como fônons podem ser vantajosas. Em um estudo recente publicado em Avanços da Ciência , B. Bienfait e colegas dos departamentos interdisciplinares de Engenharia Molecular, A Física e a Ciência dos Materiais nos EUA descreveram a emissão determinística e a captura de fônons em viagem (itinerantes) por meio de um canal de comunicação acústica, para permitir a transferência coerente de estados quânticos baseada em fônons.
Os cientistas facilitaram a transferência de fônons de um qubit supercondutor (átomo artificial) para outro e observaram o emaranhamento quântico (estado quântico de cada partícula que não pode ser descrito independentemente do estado da outra) dos dois qubits em um canal acústico durante o estudo. Bienfait et al. forneceu uma nova rota para acoplar sistemas quânticos híbridos de estado sólido usando ondas acústicas de superfície como 'boas vibrações' na comunicação quântica para futuras aplicações fonônicas.
Phonons, ou mais especificamente, fônons de ondas acústicas de superfície, são propostas como um método para acoplar de forma coerente sistemas quânticos de estado sólido distantes. Por exemplo, Fônons individuais em uma estrutura ressonante podem ser controlados e detectados usando qubits supercondutores (descritos como macroscópicos, átomos artificiais definidos litograficamente) para gerar e medir complexos, fônon estacionário afirma coerentemente. No presente trabalho, Bienfait et al. relataram a emissão determinística e captura de fônons de ondas acústicas de superfície móvel para permitir o emaranhamento quântico de dois qubits supercondutores em uma configuração experimental.
Eles usaram um canal de comunicação quântica acústica de 2 mm nos experimentos, que permitia uma linha de atraso de aproximadamente 500 nanossegundos, para demonstrar a emissão e recaptura de fônons. Os cientistas observaram a transferência de estado quântico entre os dois qubits supercondutores com uma eficiência de 67 por cento e usando a transferência parcial de um fônon, eles geraram um par Bell emaranhado com uma fidelidade de 84%.
As ondas eletromagnéticas têm desempenhado um papel singular como transportadoras de informações quânticas entre nós quânticos distantes para o processamento distribuído de informações quânticas. Experimentos quânticos anteriores usaram fótons de microondas para demonstrar a geração de emaranhamento remoto determinística e probabilística entre qubits supercondutores para alcançar fidelidades de emaranhamento que variam de 60 a 95 por cento. Para alguns sistemas quânticos de estado sólido, como pontos quânticos definidos eletrostaticamente ou spins eletrônicos, uma propriedade quântica dos elétrons (também conhecida como spintrônica), fortes interações com o material hospedeiro tornaram as vibrações acústicas (ou fônons) uma alternativa superior em comparação com os candidatos a fótons.
Por exemplo, Fônons de ondas acústicas de superfície (SAW) são propostos como um meio universal para acoplar sistemas quânticos remotos. Esses fônons também podem converter eficientemente entre frequências de microondas e ópticas, ligando qubits de microondas a fótons ópticos. Como resultado, muitas propostas seguiram experimentos para mostrar a emissão e detecção coerente de fônons SAW viajando por um qubit supercondutor, com o som assumindo o papel de luz. Os cientistas usaram fônons SAW viajantes para transferir elétrons entre pontos quânticos para transportar elétrons individuais, acoplado a centros de vacância de nitrogênio e até mesmo acionamento de giros de carboneto de silício. Em trabalhos anteriores, pesquisadores também projetaram fônons SAW de ondas estacionárias coerentemente acoplados a qubits supercondutores para a criação sob demanda, detecção e controle de estados acústicos quânticos.
ESQUERDA:Diagrama de circuito simplificado, com a caixa cinza indicando os elementos no chip invertido de niobato de lítio. À DIREITA:(A-B) Micrografias eletrônicas de varredura detalhando os espelhos IDT e Bragg. (C) Taxa de decaimento do qubit extraído medida no acoplamento máximo. O decaimento é dominado pela emissão de fônons do IDT. Os círculos azuis são extraídos de um ajuste de decaimento exponencial; a linha tracejada vermelha é o modelo de circuito previsto. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aaw8415
Portanto, No presente trabalho, Bienfait et al. usaram fônons SAW itinerantes (itinerantes) para realizar a transferência de estados quânticos entre dois qubits supercondutores experimentalmente. Na parte acústica do dispositivo, eles usaram um ressonador SAW com um espaçamento de espelho Fabry-Pérot eficaz de 2 mm, para gerar um fônon de passagem única com um tempo de viagem de cerca de 0,5 microssegundos (µs). Por design, o acoplamento entre o qubit e o modo Fabry-Pérot no sistema permitiu que o fônon fosse completamente injetado no canal acústico. Bienfait et al. em seguida, acoplou o ressonador a dois qubits "Xmon" supercondutores sintonizáveis em frequência, Q1 e Q2 (onde 'Xmon qubits' foram introduzidos pela primeira vez por Barends et al), enquanto controlam seu acoplamento eletronicamente usando dois outros acopladores sintonizáveis, G1 e G2. Os cientistas poderiam mudar cada acoplador de acoplamento máximo para desligado em alguns nanossegundos para isolar os qubits.
Os cientistas projetaram os acopladores ajustáveis, qubits e seu respectivo controle e linhas de leitura em um substrato de safira enquanto constrói o ressonador SAW em um substrato de niobato de lítio separado. Para o ressonador SAW, eles usaram dois espelhos acústicos com dois espelhos Bragg (espelhos dielétricos) em cada lado da configuração do emissor-receptor acústico central. Para o emissor acústico, eles usaram um transdutor interdigital (IDT) conectado a uma porta elétrica comum.
Os cientistas aplicaram um pulso elétrico ao IDT para formar dois pulsos SAW simétricos, que viajou em direções opostas, refletindo nos espelhos para completar uma viagem de ida e volta em 508 nanossegundos. Bienfait et al controlaram o acoplamento de qubits a IDT, para facilitar a emissão moldada no domínio do tempo de fônons viajantes para o ressonador. Para caracterizar a emissão nos experimentos, eles excitaram o qubit primeiro e monitoraram sua população de estado excitado antes de levar em consideração o estado de excitação decadente como um produto da emissão de fônons.
(A) Pulsos de controle calibrados (inserção) garantem a liberação de um fônon simétrico no tempo e sua captura eficiente. Os círculos representam a população de estado excitado medida de Q1 ao interromper a sequência após um tempo t. (B) População de estado excitado medida de Q1 enquanto varre o atraso entre os pulsos de controle de emissão e captura, evidenciando uma população diminuindo geometricamente com o número de trânsitos (linha cinza). (C) Tomografia de processo quântico no ponto de eficiência máxima de (B), com uma fidelidade de processo F1 =0,83 ± 0,002. (I) representa o operador de identidade e X, Y, e Z para os operadores Pauli. Em (A) a (C), linhas tracejadas indicam os resultados de uma simulação de equação mestre, incluindo uma eficiência de transferência finita e imperfeições qubit. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aaw8415
Em seguida, os cientistas mostraram experimentalmente a emissão e captura de um fônon viajando empregando um qubit, experimento "ping-pong" de um único phonon usando qubit Q1. No experimento, eles ajustam o acoplador G1 no máximo enquanto desligam o acoplador G2 para monitorar a população de estado excitado (P e ) do primeiro trimestre. Eles mostraram que a emissão demorou cerca de 150 ns, depois do qual P e permaneceu próximo a zero durante o trânsito de fônons na configuração experimental. Após aproximadamente 0,5 µs, Bienfait et al. foram capazes de recapturar os fônons que retornavam com uma eficiência de captura de 67 por cento.
Durante trânsitos sucessivos, os cientistas observaram uma diminuição geométrica na eficiência de captura, que eles creditaram às perdas dentro do canal acústico. Eles então conduziram a tomografia do processo quântico da operação de liberação e captura de um qubit, reconstruindo a matriz do processo com o tempo. A técnica de tomografia por processo quântico é o esquema mais apropriado e eficiente para analisar sistemas quânticos quando as interações de dois corpos não estão naturalmente disponíveis.
Com Q1 inicialmente preparado em | e⟩, um sinal de controle em G1 libera e subsequentemente recaptura meio fônon para o ressonador. Simultaneamente, um pulso de desafinação de 20 MHz de duração variável é aplicado a Q1 para alterar sua fase em ∆ϕ. (A) População de estado excitado Q1 medida ao interromper a sequência após um tempo t, com uma diferença de fase ∆ϕ =0 (quadrados) ou π (círculos). A inserção mostra a sequência de controle. (B) Q1 estado final Pe (t =tf) para tf =0,65 μs como uma função da diferença de fase ∆ϕ entre o meio fóton e o meio fônon. Círculos são pontos experimentais. As linhas tracejadas são simulações baseadas em um modelo de teoria de insumo-produto. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aaw8415
Depois disso, os cientistas demonstraram a natureza interferométrica da emissão de fônon de um qubit e do processo de captura. Uma vez que é um desafio monitorar o esquema de emaranhamento quântico e superposição mecânica durante a decoerência quântica (decadência quântica ou perda do comportamento quântico das partículas), Bienfait et al prepararam Q1 em um estado de transição para emitir um meio-fônon e capturaram-no novamente com Q1 após um trânsito. Os cientistas definiram captura como a reversão do tempo de emissão e previram que os dois meios quanta irão interferir destrutivamente para causar reexcitação do qubit, ou construtivamente para sua emissão total na configuração experimental.
Como previsto, eles mostraram que quando o meio fônon refletido interferiu construtivamente com o meio fônon emitido armazenado em Q1 - a energia total transferida para o ressonador SAW, enquanto a interferência destrutiva resultou em reexcitação qubit. Os cientistas usaram uma simulação para incluir perda de canal e defasagem de qubit, para replicar observações experimentais e creditar qualquer incompatibilidade da simulação a imperfeições no sistema. Desta maneira, Bienfait et al usaram o canal de comunicação acústica experimental para transferir estados quânticos e gerar emaranhamento remoto entre os dois qubits.
(A) troca de estado Qubit através do canal acústico, com pulsos de controle mostrados à esquerda. (B) Emaranhamento acústico. Com Q1 inicialmente em | e⟩, um sinal de controle aplicado ao G1 libera meio fônon para o canal, capturado posteriormente por Q2. Em (A) e (B), círculos e quadrados são populações de estado animado Q1 e Q2 medidas simultaneamente após um tempo t. (C e D) Valores de expectativa de operadores de Pauli de dois qubit (C) para a matriz de densidade de estado de Bell reconstruída (D) em t =0,65 μs. Em (C) e (D), as linhas sólidas indicam os valores esperados para o estado de Bell ideal | Ψ⟩ =(| eg⟩ + | ge⟩) / 2 – √. Em (A) a (D), linhas tracejadas são resultados de simulação, incluindo uma eficiência de transferência finita e imperfeições qubit. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aaw8415
Os pesquisadores também demonstraram a troca quântica entre os dois qubits, Q1 e Q2, usando a configuração. Isso foi possível porque os cientistas podiam armazenar sequencialmente até três fônons viajantes no ressonador SAW. O processo teve uma alta taxa de fidelidade, e os cientistas creditaram quaisquer desvios a perdas acústicas. Como antes, eles usaram o canal acústico para gerar o emaranhamento quântico remoto entre Q1 e Q2 para criar um estado de Bell.
Desta maneira, Bienfait et al. mostrou experimentalmente resultados claros e convincentes para a liberação controlada e captura de fônons viajantes em um ressonador Fabry-Pérot confinado, limitada principalmente por perdas acústicas. Eles demonstraram que os processos de emissão e captura não foram determinados pelo comprimento do ressonador, portanto, os mesmos processos eram aplicáveis a um dispositivo acústico não ressonante. No total, os cientistas detalharam processos para gerar experimentalmente o emaranhamento de alta fidelidade entre dois qubits. Esses resultados representarão um avanço na realização de protocolos de comunicação quântica fundamentais com fônons.
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