01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Физика
5 июня

Создан звуковой квантовый чип

Схема чипа.
Пресс-служба МФТИ

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».

Dbfb180f01d0952dc8219030ca62fda5666458f9
Рисунок 1. Энергетический спектр трасмона похож на энергетический спектр атома
Пресс-служба МФТИ

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.

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.

7f85a70f0343129ff1d5450171ba9c6e7293ee24
Рисунок 2. Микроволновый чип. На квадратном участке — их всего семь — расположен кубит. Изогнутые линии — это микроволновые резонаторы, у каждого из них своя резонансная частота
Пресс-служба МФТИ

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.

53d24b142d4253e4ee93d41fb6b9666f6cc9f84c
Рисунок 3. Акустический чип. Размер всей системы соизмерим с размером квадратного участка на рисунке 2.
Пресс-служба МФТИ

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.

91a3ee90f550094b7835bcfdd44078e3ce8b27fd
Рисунок 4. Интенсивность проходящего через резонатор сигнала в зависимости от его частоты и величины магнитного потока. а) то, что получилось экспериментально; b) То, что получилось теоретически из решения уравнения квантовой модели
Пресс-служба МФТИ

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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.

Комментарии

Все комментарии
Обсуждаемое