В МФТИ создали квантовый чип со звуковым резонатором

Исследователи продемонстрировали искусственную квантовую систему, в которой квантовый бит взаимодействует с акустическим резонатором в квантовом режиме.

7 630

Выбор редакции

Исследователи из России и Великобритании 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 — он может обеспечить им большую устойчивость в работе и компактность. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

 

Схема чипа. Резонатор Фабри Перо состоит из двух Брэгговских зеркал: в каждом 200 параллельных полос (показаны желтым), отстоящих друг от друга на половину длины акустической волны. Длина волны равна 0,98 мкм, или 980 нм. В резонаторе находятся кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приемник и излучатель. Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. По рисунку авторов статьи, дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

 

«До нас никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа без кубита и отдельно кубиты с поверхностными 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 создается с помощью существующих технологий», — рассказывает Алексей Болгар, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в которой провели исследование.

 

Рисунок 1. Энергетический спектр трасмона похож на энергетический спектр атома. Частота перехода между первыми двумя уровнями равна ω01   

 

Ученые изучали взаимодействие сверхпроводящего кубита — трансмона — с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Трансмон ведет себя как искусственный атом, то есть у него есть энергетические уровни, между которыми он может переходить (см. рисунок 1). 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 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 квантово-акустический подход развит далеко не так сильно, как микроволновый, у него много преимуществ.

 

Скорость распространения акустических волн в 100 тысяч 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 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  около одного микрометра, что позволяет компактно размещать высокодобротные резонаторы размером в 300 микрон 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 (см. рисунок 2). В акустическом случае можно сделать несколько кубитов, немного отличающихся 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 волны как на поверхности моря, но возникающие на поверхности твердого тела. Собранный чип показан на рисунке номер три. 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 (трансмон) с двумя энергетическими уровнями, емкость 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, охлажденном до десятков милликельвинов.

 

Рисунок 2. Микроволновый чип. На квадратном участке — их всего семь — расположен кубит. Изогнутые линии — это микроволновые резонаторы, у каждого из них своя резонансная частота. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

 

Рисунок 3. Акустический чип. Размер всей системы соизмерим с размером квадратного участка на рисунке 2. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

 

Характерным эффектом для квантового режима является так называемое антипересечение, или квазипересечение, энергетических уровней (см. рисунок 4). Частотой перехода кубита можно управлять с помощью внешнего магнитного поля — для этого у трансмона есть СКВИД-магнитометр. Там, где частота резонатора совпадает с частотой перехода кубита, происходит расщепление в энергетическом спектре кубита: при одном значении магнитного потока есть две характерные частоты перехода. Ученые пронаблюдали это явление в созданном ими чипе и доказали, что трасмон и акустический резонатор взаимодействуют в квантовом режиме.

 

Рисунок 4. Интенсивность проходящего через резонатор сигнала в зависимости от его частоты и величины магнитного потока. (a) То, что получилось экспериментально. (b) То, что получилось теоретически из решения уравнения квантовой модели. По рисунку авторов статьи, дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

 

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 ученые из МИСиС, МГПУ, Лондонского университета.

 

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

 

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
101Статья
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
7 630
Комментарии
Аватар пользователя Сталин Сталин
60 мин
320 самолетов... Мелкосерийное производство. Я просто...
Аватар пользователя Андрей Самодуров
4 ч
И всё? А как же ...перья. Похожим на ворону он мне...
Аватар пользователя Ник Форнит
Вчера
т.е. получается, что “ученые” до сих пор не выяснили...

Колумнисты

Физтех
101Статья
Сколтех
38Статей
Discovery Channel
29Статей
СО РАН
7Статей
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку