p Pesquisadores recentemente exibiram a interação de qubits supercondutores; a unidade básica de informação quântica, com ressonadores de ondas acústicas de superfície; um equivalente de onda de superfície do ressonador de cristal, em física quântica. Este fenômeno abre um novo campo de pesquisa, definida como acustodinâmica quântica para permitir o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos quânticos. O principal desafio desse empreendimento é fabricar ressonadores acústicos na faixa de gigahertz. Em um novo relatório agora publicado em Natureza Física das Comunicações , Aleksey N. Bolgar e uma equipe de físicos em Física e Sistemas Quânticos Artificiais, na Rússia e no Reino Unido, detalhou a estrutura de um dispositivo acustodinâmico híbrido significativamente simplificado, substituindo um ressonador acústico por um cristal fonônico ou metamaterial acústico. p O cristal continha faixas metálicas estreitas em uma superfície de quartzo e esse átomo artificial ou objeto de metal, por sua vez, interagia com uma linha de transmissão de microondas. Na engenharia, uma linha de transmissão é um conector que transmite energia de um ponto a outro. Os cientistas usaram a configuração para acoplar dois graus de liberdade de natureza diferente, ou seja, acústica e eletromagnética, com um único objeto quântico. Usando um espectro de espalhamento de ondas eletromagnéticas em propagação no átomo artificial, eles visualizaram os modos acústicos do cristal fonônico. A geometria do dispositivo permitiu que eles percebessem os efeitos da acústica quântica em um sistema simples e compacto.

p Sistemas quânticos supercondutores

p Sistemas quânticos supercondutores são promissores para tecnologias quânticas em informática quântica e são fundamentais para novas direções de pesquisa de óptica quântica e átomos artificiais. Esses sistemas podem facilmente atingir um forte regime de acoplamento, mesmo para elementos de circuito macroscópico. Vários grupos de pesquisa alcançaram acustodinâmica quântica (QAD) usando átomos artificiais, onde ondas eletromagnéticas podem ser substituídas por versões acústicas e fótons por fônons. Nesse trabalho, Bolgar et al. estudaram um circuito híbrido onde um qubit supercondutor foi fortemente acoplado simultaneamente a dois sistemas de natureza diferente:acústico e eletromagnético, com um cristal fonônico e uma linha de transmissão unidimensional (1-D) de ondas eletromagnéticas.

p Um elemento-chave nos experimentos QAD inclui um ressonador mecânico, que pode ser um ressonador em massa ou um ressonador de onda acústica de superfície (SAW) que desempenha um papel semelhante a uma cavidade em eletrodinâmica quântica (QED). Os elementos acústicos podem ser compactados devido ao seu comprimento de onda, que é normalmente cinco ordens de magnitude mais curto do que as ondas eletromagnéticas. Os físicos realizaram experimentos pioneiros com ressonadores acústicos em massa acoplados a qubits supercondutores. Contudo, integrar esses ressonadores em massa com a eletrônica não é simples. Nesta configuração experimental, Bolgar et al. empregou um qubit para desempenhar o papel de sistema intermediário, conectando os sistemas acústico e eletromagnético. Os pesquisadores usaram um único cristal fonônico longo para acústica do dispositivo para fornecer à configuração uma vantagem técnica significativa.

p O layout do dispositivo

p A equipe desenvolveu o dispositivo em um substrato piezoelétrico de quartzo estável. O dispositivo continha um qubit do tipo transmon, capacitivamente acoplado a uma linha de transmissão de microondas. Na computação quântica supercondutora, um transmon é um tipo de qubit de carga supercondutor projetado para reduzir a sensibilidade ao ruído de carga. O dispositivo continha um transdutor interdigital (IDT) com eletrodos igualmente espaçados na forma de faixas metálicas. A capacitância IDT foi proporcional ao número de pares de eletrodos. Os eletrodos de capacitância foram conectados a um loop de dispositivo de interferência quântica supercondutor (SQUID); um detector sensível de fluxo magnético e campo - usado para sintonizar as energias qubit. A estrutura periódica das listras metálicas na configuração formou um cristal fonônico (ou metamaterial acústico), onde cada faixa agia como uma massa adicional na superfície do quartzo. A velocidade do grupo das ondas era muito menor do que a velocidade do som na configuração, permitindo que as ondas sejam efetivamente confinadas no dispositivo.

p O sistema de dois níveis acoplado a modos quasinormais

p O transdutor interdigital (IDT) usado na configuração, ondas acústicas de superfície geradas (SAW) que se propagam na direção longitudinal. Em contraste com os ressonadores, as ondas não foram refletidas nos limites, mas vazaram livremente e, como resultado, os modos permitidos no sistema eram quasinormais, ou seja, oscilações amortecidas. A equipe então descreveu o hamiltoniano do sistema híbrido (uma função que representa a energia total de um sistema). No sistema experimental, o átomo artificial acoplado a um cristal fonônico interagiu com a onda eletromagnética na linha de transmissão e a equipe descreveu a dinâmica das ondas espalhadas no átomo artificial, que mediram usando espectroscopia de transmissão. A obra continha informações sobre a interação do átomo com os modos fonônicos.

p Os resultados experimentais

p As condições experimentais permitiram que as flutuações térmicas da configuração estivessem bem abaixo da energia dos fônons acústicos de superfície, que estão na faixa de frequências de gigahertz. Os pesquisadores detectaram a interação átomo-onda, como uma mudança na fase e amplitude do sinal transmitido perto da frequência de ressonância qubit. Eles amplificaram o sinal transmitido usando amplificadores criogênicos e de temperatura ambiente e coletaram os resultados sob uma variedade de campos magnéticos para encontrar a divisão de energia do qubit. Os resultados das divisões de linhas espectrais demonstraram a interação entre o qubit e quatro modos quasinormais (QNMs) do cristal fonônico em quatro frequências diferentes. Os fatores de alta qualidade (também chamados de fatores Q) usados ​​no experimento aumentaram com o aumento das listras metálicas, onde Q mais alto indica dispersão mais lenta das oscilações. Essa observação também foi apoiada por meio de simulações.

p O impacto mais amplo na acústica quântica

p Desta maneira, Aleksey N. Bolgar e colegas demonstraram experimentalmente a interação entre um qubit e um cristal fonônico de onda acústica de superfície (SAW), formada por meio de uma estrutura metálica periódica na superfície de um material de quartzo. A equipe descobriu os modos do cristal fonônico no circuito, caracterizando o espalhamento de ondas eletrodinâmicas em um átomo artificial de dois níveis fortemente acoplado ao cristal. Eles mostraram a interação do átomo com quatro modos quasinormais do cristal. A geometria do dispositivo projetado era simples e robusta e é mais compacta do que as configurações volumosas existentes. Os resultados deste trabalho contribuirão para o desenvolvimento de dispositivos adequados para acústica quântica fundamental. p © 2020 Science X Network