Investigadores de Rusia y Gran Bretaña han demostrado un sistema cuántico artificial en el que un bit cuántico interactúa con un resonador acústico en régimen cuántico. Esto permite aplicar los principios de la óptica cuántica en el estudio de las ondas acústicas y permite un enfoque alternativo al diseño de computadoras cuánticas basado en la acústica. También podría hacer que las computadoras cuánticas sean más estables y compactas. El documento que informa de los resultados se publicó en Cartas de revisión física .

"Somos los primeros en demostrar una interacción entre un qubit y un resonador de ondas acústicas de superficie en el régimen cuántico. Previamente, Se estudiaron resonadores de este tipo, pero sin qubit. Igualmente, se estudiaron qubits con ondas acústicas superficiales, pero esas eran olas corriendo, sin resonador. El régimen cuántico se demostró en resonadores masivos, pero esto no fue muy lejos quizás debido a las dificultades de fabricación. Usamos una estructura plana fabricada con tecnologías existentes, "dice Aleksey Bolgar, investigador del Laboratorio de Sistemas Cuánticos Artificiales del MIPT, donde se realizó el estudio.

Los investigadores estudiaron la interacción de un qubit superconductor, un transmon, con ondas acústicas de superficie en un resonador (figura 1). El transmón se comporta como un átomo artificial, es decir, tiene varios niveles de energía (figura 2) y experimenta transiciones entre ellos. El enfoque de microondas convencional es tener un chip que contenga tanto el qubit como un resonador de microondas que soporte y amplifique la onda. En esta configuración, el qubit puede interactuar con el resonador absorbiendo un fotón de él y entrando en un estado excitado o emitiendo un fotón en él y volviendo al estado fundamental, siempre que la frecuencia del fotón corresponda a la frecuencia de transición del qubit. La frecuencia de resonancia del propio resonador varía según el estado del qubit. Por lo tanto, cambiando las características del resonador, es posible leer información del qubit.

Recientemente ha surgido un enfoque alternativo. En lugar de radiación de microondas (fotones), usa excitaciones mecánicas, o fonones, en forma de ondas acústicas. Este enfoque de la acústica cuántica se ha desarrollado en mucho menor grado, en comparación con su contraparte de microondas, pero tiene varias ventajas.

Dado que las ondas acústicas se propagan 100, 000 veces más lento que la luz, en consecuencia, su longitud de onda es más corta. El tamaño de un resonador debe "ajustarse" a la longitud de onda utilizada. En un sistema cuántico de microondas, la longitud de onda es de aproximadamente 1 centímetro en el mejor de los casos. Esto significa que el resonador debe ser bastante grande, pero cuanto más grande es, cuantos más defectos tenga, ya que están inevitablemente presentes en la superficie del chip. Debido a estos defectos, la vida útil de un estado qubit es corta, perjudicando los cálculos cuánticos a gran escala y complicando la creación de computadoras cuánticas. A partir de ahora, el récord mundial de vida útil más larga es de alrededor de 100 microsegundos, o una diezmilésima de segundo. Bajo el enfoque acústico, la longitud de onda equivale aproximadamente a 1 micrómetro, por lo que es posible colocar resonadores de alta calidad que midan solo 300 micrómetros en el chip.

Otro problema con las microondas es que las longitudes de onda largas hacen que sea imposible poner dos qubits en un resonador para permitir la interacción en diferentes frecuencias. Como resultado, se necesita un resonador separado para cada qubit (ver figura 3). En el enfoque acústico, un resonador mecánico puede acomodar varios qubits con frecuencias de transición ligeramente diferentes. Esto significa que un chip cuántico basado en ondas sonoras sería mucho más pequeño que los disponibles ahora. Es más, La acústica dinámica podría resolver el problema de la sensibilidad del sistema cuántico al ruido electromagnético.

Los autores del artículo utilizaron un resonador para ondas acústicas de superficie. Son algo similares a las olas del mar pero se propagan en sólidos. La figura 4 muestra el chip creado en el estudio. Un circuito de aluminio se deposita sobre un sustrato piezoeléctrico de cuarzo. El circuito consta de un transmon, un resonador, y dos transductores interdigitales. Los dos transductores sirven como transmisor y receptor. Entre ellos, hay una capa piezoeléctrica hecha de un material que convierte la tensión mecánica en electricidad y viceversa. Una onda acústica de superficie generada en el material piezoeléctrico queda atrapada entre las dos rejillas de Bragg del resonador. El qubit, o transmon, contenido en el resonador tiene dos niveles de energía, y la capacitancia qubit se implementa como transductores interdigitales. El propósito del estudio fue mostrar que el qubit puede interactuar con el resonador, excitarse y relajarse como lo haría un sistema cuántico. Las mediciones se realizaron en un criostato a temperaturas de decenas de milikelvins.

Un rasgo característico del régimen cuántico es el llamado cruce evitado de niveles de energía (figura 5). La frecuencia de transición del qubit se puede sintonizar a través de un campo magnético externo; para permitir esto, el transmon está equipado con un magnetómetro SQUID. Si la frecuencia del resonador coincide con la frecuencia de transición de qubit, La división de energía se observa en el espectro de energía del qubit, es decir, un valor de flujo magnético corresponde a dos frecuencias de transición características. Los investigadores observaron este fenómeno en su chip y demostraron que el transmon y el resonador acústico interactúan en el régimen cuántico.

El objetivo fundamental de esta investigación es demostrar que los fenómenos y efectos de la óptica cuántica se aplican también a la acústica. Además, proporciona una forma alternativa de construir una computadora cuántica. A pesar de que las interfaces basadas en microondas logran un impresionante recuento de 50 qubit, lo que significa que la acústica cuántica todavía tiene un largo camino por recorrer, este último enfoque tiene numerosas ventajas que podrían resultar útiles en el futuro.