Dispositivo experimental. (A a C) Micrografía del dispositivo ensamblado con chip abatible (A), con dos qubits superconductores (Q1 y Q2, azul), conectado a dos acopladores sintonizables (G1 y G2, púrpura), fabricado en zafiro (B). Estos están conectados a través de dos inductores superpuestos (verde) a un resonador SAW (C), fabricado en niobato de litio. El resonador SAW consta de dos espejos Bragg (naranja), espaciados por 2 mm, definiendo una cavidad acústica de Fabry-Pérot sondeada por un transductor interdigitado (rojo). Los contornos rojo y azul en (A) representan las ubicaciones de (B) y (C), respectivamente. (D) Diagrama de circuito simplificado, con el cuadro gris que indica los elementos en el chip de niobato de litio volteado. (E) Población de estado excitado Pe para qubit Q1, con el acoplador G1 ajustado al máximo y G2 desactivado. Q1 se prepara en | e⟩ usando un pulso π, su frecuencia establecida en ωQ1 (escala vertical) durante un tiempo t (escala horizontal), antes de la lectura dispersiva de su población excitada Pe (28). Q1 se relaja debido a la emisión de fonones a través del IDT, y si su frecuencia está dentro de la banda de parada de espejo de 3,91 a 4,03 GHz, el fonón emitido se refleja y genera reactivaciones de excitación de qubit en los tiempos τ (línea naranja) y 2τ. El recuadro muestra la secuencia de pulsos. (F) Tiempo de caída de energía de qubit medido T1 para ωQ, i / 2π =3,95 GHz en función de la fase de unión de Josephson del acoplador δi, mostrando que la emisión de qubit puede ser considerablemente más rápida que el tiempo de tránsito del fonón (línea naranja), para Q1 (círculos) y Q2 (cuadrados). Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw8415
Las plataformas de información cuántica se basan en qubits que se comunican entre sí y los fotones (ópticos y de microondas) son los portadores de elección; hasta la fecha, para transferir estados cuánticos entre qubits. Sin embargo, en algunos sistemas de estado sólido, Las propiedades de vibración acústica del propio material, conocidas como fonones, pueden ser ventajosas. En un estudio reciente publicado en Avances de la ciencia , B. Bienfait y colegas de los departamentos interdisciplinarios de Ingeniería Molecular, La física y la ciencia de los materiales en los EE. UU. Describieron la emisión determinista y la captura de fonones viajeros (itinerantes) a través de un canal de comunicación acústica, para permitir la transferencia coherente basada en fonones de estados cuánticos.
Los científicos facilitaron la transferencia de fonones de un qubit superconductor (átomo artificial) a otro y observaron el entrelazamiento cuántico (estado cuántico de cada partícula que no se puede describir independientemente del estado de la otra) de los dos qubits en un canal acústico durante el estudio. Bienfait y col. proporcionó una nueva ruta para acoplar sistemas híbridos cuánticos de estado sólido utilizando ondas acústicas de superficie como "buenas vibraciones" en la comunicación cuántica para futuras aplicaciones fonónicas.
Fonones o más específicamente, fonones de ondas acústicas de superficie, se proponen como un método para acoplar coherentemente sistemas cuánticos distantes de estado sólido. Por ejemplo, fonones individuales en una estructura resonante se pueden controlar y detectar utilizando qubits superconductores (descritos como macroscópicos, átomos artificiales definidos litográficamente) para generar y medir complejos, fonón estacionario establece coherentemente. En el presente trabajo, Bienfait y col. informó de la emisión y captura determinista de fonones de ondas acústicas de superficie viajera para permitir el entrelazamiento cuántico de dos qubits superconductores en una configuración experimental.
Utilizaron un canal de comunicación cuántica acústica de 2 mm de largo en los experimentos, que permitió una línea de retardo de aproximadamente 500 nanosegundos, para demostrar la emisión y recaptura de fonones. Los científicos observaron la transferencia de estado cuántico entre los dos qubits superconductores con una eficiencia del 67 por ciento y utilizando la transferencia parcial de un fonón. generaron un par Bell entrelazado con una fidelidad del 84 por ciento.
Las ondas electromagnéticas han desempeñado un papel singular como portadoras de información cuántica entre nodos cuánticos distantes para el procesamiento de información cuántica distribuida. Experimentos cuánticos anteriores han utilizado fotones de microondas para demostrar la generación de entrelazados remotos deterministas y probabilísticos entre qubits superconductores para alcanzar fidelidades de entrelazamiento que van del 60 al 95 por ciento. Para algunos sistemas cuánticos de estado sólido, como puntos cuánticos definidos electrostáticamente o espines electrónicos, una propiedad cuántica de los electrones (también conocida como espintrónica), Las fuertes interacciones con el material huésped han hecho de las vibraciones acústicas (o fonones) una alternativa superior en comparación con los fotones candidatos.
Por ejemplo, Los fonones de onda acústica de superficie (SAW) se proponen como un medio universal para acoplar sistemas cuánticos remotos. Estos fonones también pueden convertir eficientemente entre microondas y frecuencias ópticas, uniendo qubits de microondas a fotones ópticos. Como resultado, muchas propuestas han seguido experimentos para mostrar la emisión coherente y la detección de fonones SAW itinerantes por un qubit superconductor, con el sonido asumiendo el papel de luz. Los científicos han utilizado fonones SAW itinerantes para transferir electrones entre puntos cuánticos para transportar electrones individuales. acoplados a centros de vacantes de nitrógeno e incluso impulsan giros de carburo de silicio. En trabajos anteriores, Los investigadores también habían diseñado fonones SAW de onda estacionaria acoplados coherentemente a qubits superconductores para la creación bajo demanda, detección y control de estados acústicos cuánticos.
IZQUIERDA:diagrama de circuito simplificado, con el cuadro gris que indica los elementos en el chip de niobato de litio volteado. DERECHA:(A-B) Micrografías electrónicas de barrido que detallan los espejos IDT y Bragg. (C) Tasa de desintegración de qubit extraídos medida en el acoplamiento máximo. La descomposición está dominada por la emisión de fonones del IDT. Los círculos azules se extraen de un ajuste de desintegración exponencial; La línea punteada roja es el modelo de circuito previsto. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw8415
Por lo tanto, en el presente trabajo, Bienfait y col. utilizaron fonones SAW viajeros (itinerantes) para realizar la transferencia de estados cuánticos entre dos qubits superconductores de forma experimental. En la parte acústica del dispositivo, utilizaron un resonador SAW con un espaciado de espejo Fabry-Pérot efectivo de 2 mm, para generar un fonón de viaje de una sola pasada con un tiempo de viaje de aproximadamente 0,5 microsegundos (µs). Por diseño, El acoplamiento entre el modo qubit y Fabry-Pérot en el sistema permitió que el fonón se inyectara completamente en el canal acústico. Bienfait y col. luego acopló el resonador a dos qubits superconductores "Xmon" sintonizables en frecuencia, Q1 y Q2 (donde los 'qubits Xmon' fueron introducidos por primera vez por Barends et al), mientras controla su acoplamiento electrónicamente utilizando otros dos acopladores sintonizables, G1 y G2. Los científicos podrían cambiar cada acoplador de acoplamiento máximo a desactivado en unos pocos nanosegundos para aislar los qubits.
Los científicos diseñaron los acopladores sintonizables, qubits y sus respectivas líneas de control y lectura en un sustrato de zafiro mientras se construye el resonador SAW en un sustrato de niobato de litio separado. Para el resonador SAW, utilizaron dos espejos acústicos con dos espejos Bragg (espejos dieléctricos) a cada lado de la configuración central de emisor-receptor acústico. Para el emisor acústico, utilizaron un transductor interdigital (IDT) conectado a un puerto eléctrico común.
Los científicos aplicaron un pulso eléctrico al IDT para formar dos pulsos SAW simétricos, que viajó en direcciones opuestas, reflejándose en los espejos para completar un viaje de ida y vuelta en 508 nanosegundos. Bienfait et al controlaron el acoplamiento de qubits a IDT, para facilitar la emisión en forma de dominio del tiempo de fonones viajeros hacia el resonador. Para caracterizar la emisión en los experimentos, primero excitaron el qubit y controlaron su población en estado excitado antes de tener en cuenta el estado de excitación en descomposición como un producto de la emisión de fonones.
(A) Los pulsos de control calibrados (recuadro) aseguran la liberación de un fonón simétrico en el tiempo y su captura eficiente. Los círculos representan la población medida en estado excitado de Q1 cuando se interrumpe la secuencia después de un tiempo t. (B) Población de estado excitado medida de Q1 mientras se barre el retardo entre los pulsos de control de captura y emisión, evidenciando una población geométricamente decreciente con el número de tránsitos (línea gris). (C) Tomografía de proceso cuántico en el punto de máxima eficiencia de (B), con una fidelidad de proceso F1 =0,83 ± 0,002. (I) representa el operador de identidad y X, Y, y Z para los operadores Pauli. En (A) a (C), Las líneas punteadas indican los resultados de una simulación de ecuación maestra que incluye una eficiencia de transferencia finita e imperfecciones de qubit. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw8415
A continuación, los científicos mostraron experimentalmente la emisión y captura de un fonón viajero empleando un qubit, Experimento de "ping-pong" de un solo fonón usando qubit Q1. En el experimento, establecen el acoplador G1 al máximo mientras apagan el acoplador G2 para monitorear la población en estado excitado (P mi ) de Q1. Mostraron que la emisión tomó alrededor de 150 ns, después de lo cual P mi permaneció cerca de cero durante el tránsito de fonones en la configuración experimental. Después de aproximadamente 0,5 µs, Bienfait y col. pudieron recuperar los fonones que regresaban con una eficiencia de captura del 67 por ciento.
Durante los tránsitos sucesivos, los científicos observaron una disminución geométrica en la eficiencia de captura, que atribuyeron a pérdidas dentro del canal acústico. Luego llevaron a cabo una tomografía de proceso cuántico de la operación de liberación y captura de un qubit mediante la reconstrucción de la matriz del proceso con el tiempo. La técnica de tomografía de proceso cuántico es el esquema más apropiado y eficiente para analizar sistemas cuánticos cuando las interacciones de dos cuerpos no están disponibles de forma natural.
Con Q1 preparado inicialmente en | e⟩, una señal de control en G1 libera y posteriormente recaptura medio fonón al resonador. Simultaneamente, Se aplica un pulso de desafinación de 20 MHz de duración variable a Q1 para cambiar su fase en ∆ϕ. (A) Población de estado excitado Q1 medida al interrumpir la secuencia después de un tiempo t, con una diferencia de fase ∆ϕ =0 (cuadrados) o π (círculos). El recuadro muestra la secuencia de control. (B) Estado final de Q1 Pe (t =tf) para tf =0.65 μs en función de la diferencia de fase ∆ϕ entre el medio fotón y el medio fonón. Los círculos son puntos experimentales. Las líneas discontinuas son simulaciones basadas en un modelo de teoría de insumo-producto. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw8415
Después de eso, Los científicos demostraron la naturaleza interferométrica del proceso de emisión y captura de fonones de un qubit. Dado que es un desafío monitorear el esquema de entrelazamiento cuántico y superposición mecánica durante la decoherencia cuántica (desintegración cuántica o pérdida del comportamiento cuántico de las partículas), Bienfait et al prepararon Q1 en un estado de transición para emitir un medio fonón y lo capturaron nuevamente con Q1 después de un tránsito. Los científicos definieron la captura como la inversión temporal de la emisión y predijeron que los dos medios cuantos interferirán destructivamente para causar la reexcitación del qubit, o de forma constructiva para su emisión total en la configuración experimental.
Como se predijo, demostraron que cuando el medio fonón reflejado interfería constructivamente con el medio fonón emitido almacenado en Q1, la energía total transferida al resonador SAW, mientras que la interferencia destructiva resultó en una reexcitación de qubits. Los científicos utilizaron una simulación para incluir la pérdida de canal y el desfase de qubit, para replicar observaciones experimentales y atribuir cualquier desajuste de la simulación a imperfecciones en el sistema. De este modo, Bienfait et al utilizaron el canal de comunicación acústica experimental para transferir estados cuánticos y generar entrelazamientos remotos entre los dos qubits.
(A) Cambio de estado de Qubit a través del canal acústico, con pulsos de control mostrados a la izquierda. (B) Enredo acústico. Con Q1 inicialmente en | e⟩, una señal de control aplicada a G1 libera medio fonón al canal, capturado más tarde por Q2. En (A) y (B), los círculos y cuadrados son poblaciones en estado excitado Q1 y Q2 medidas simultáneamente después de un tiempo t. (C y D) Valores esperados de los operadores de Pauli de dos qubit (C) para la matriz de densidad de estado de Bell reconstruida (D) en t =0,65 μs. En (C) y (D), las líneas continuas indican valores esperados para el estado ideal de Bell | Ψ⟩ =(| eg⟩ + | ge⟩) / 2 – √. En (A) a (D), Las líneas punteadas son resultados de simulación que incluyen una eficiencia de transferencia finita e imperfecciones de qubit. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aaw8415
Los investigadores también demostraron un intercambio cuántico entre los dos qubits, Q1 y Q2, usando la configuración. Esto fue posible ya que los científicos pudieron almacenar secuencialmente hasta tres fonones viajeros en el resonador SAW. El proceso tuvo una alta tasa de fidelidad, y los científicos atribuyeron cualquier desviación a las pérdidas acústicas. Como antes, utilizaron el canal acústico para generar un entrelazamiento cuántico remoto entre Q1 y Q2 para crear un estado de Bell.
De este modo, Bienfait y col. mostró experimentalmente resultados claros y convincentes para la liberación y captura controladas de fonones viajeros en un resonador Fabry-Pérot confinado, limitado principalmente por pérdidas acústicas. Demostraron que los procesos de emisión y captura no estaban determinados por la longitud del resonador, por lo que los mismos procesos eran aplicables a un dispositivo acústico no resonante. En total, los científicos detallaron procesos para generar experimentalmente entrelazamientos de alta fidelidad entre dos qubits. Estos resultados constituirán un paso adelante para realizar protocolos de comunicación cuántica fundamentales con fonones.
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