Los investigadores han mostrado recientemente la interacción de qubits superconductores; la unidad básica de información cuántica, con resonadores de ondas acústicas de superficie; un equivalente de onda de superficie del resonador de cristal, en física cuántica. Este fenómeno abre un nuevo campo de investigación, definida como acustodinámica cuántica para permitir el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos cuánticos. El principal desafío en esta empresa es fabricar resonadores acústicos en el rango de gigahercios. En un nuevo informe ahora publicado en Naturaleza Física de las comunicaciones , Aleksey N. Bolgar y un equipo de físicos en Física y Sistemas Cuánticos Artificiales, en Rusia y el Reino Unido, detalló la estructura de un dispositivo acústico-dinámico híbrido significativamente simplificado al reemplazar un resonador acústico con un cristal fonónico o metamaterial acústico.

El cristal contenía estrechas franjas metálicas sobre una superficie de cuarzo y este átomo artificial u objeto metálico a su vez interactuaba con una línea de transmisión de microondas. En Ingeniería, una línea de transmisión es un conector que transmite energía de un punto a otro. Los científicos utilizaron la configuración para acoplar dos grados de libertad de diferente naturaleza, es decir, acústica y electromagnética, con un solo objeto cuántico. Usando un espectro de dispersión de ondas electromagnéticas propagadas en el átomo artificial, visualizaron modos acústicos del cristal fonónico. La geometría del dispositivo les permitió darse cuenta de los efectos de la acústica cuántica en un sistema simple y compacto.

Sistemas cuánticos superconductores

Los sistemas cuánticos superconductores son prometedores para las tecnologías cuánticas en informática cuántica y son fundamentales para las nuevas direcciones de investigación de la óptica cuántica y los átomos artificiales. Estos sistemas pueden lograr fácilmente un régimen de acoplamiento fuerte incluso con elementos de circuito macroscópicos. Varios grupos de investigación habían logrado la acustodinámica cuántica (QAD) utilizando átomos artificiales, donde las ondas electromagnéticas pueden ser reemplazadas por versiones acústicas y fotones por fonones. En este trabajo, Bolgar y col. estudió un circuito híbrido donde un qubit superconductor estaba fuertemente acoplado simultáneamente a dos sistemas de diferente naturaleza:acústico y electromagnético, con un cristal fonónico y una línea de transmisión unidimensional (1-D) de ondas electromagnéticas.

Un elemento clave en los experimentos QAD incluye un resonador mecánico, que puede ser un resonador masivo o un resonador de ondas acústicas de superficie (SAW) que desempeña un papel similar al de una cavidad en la electrodinámica cuántica (QED). Los elementos acústicos se pueden hacer compactos debido a su longitud de onda, que suele ser cinco órdenes de magnitud más corto que el de las ondas electromagnéticas. Los físicos habían realizado experimentos pioneros con resonadores acústicos a granel acoplados a qubits superconductores. Sin embargo, la integración de estos resonadores masivos con la electrónica no es sencilla. En esta configuración experimental, Bolgar y col. empleó un qubit para desempeñar el papel del sistema intermedio conectando los sistemas acústico y electromagnético. Los investigadores utilizaron un único cristal fonónico largo para la acústica del dispositivo para proporcionar a la configuración una ventaja técnica significativa.

El diseño del dispositivo

El equipo desarrolló el dispositivo sobre un sustrato piezoeléctrico de cuarzo estable. El dispositivo contenía un qubit de tipo transmon, acoplado capacitivamente a una línea de transmisión de microondas. En la computación cuántica superconductora, un transmon es un tipo de qubit de carga superconductora diseñado para reducir la sensibilidad al ruido de carga. El dispositivo contenía un transductor interdigital (IDT) con electrodos igualmente espaciados en forma de franjas metálicas. La capacitancia IDT fue proporcional al número de pares de electrodos. Los electrodos de capacitancia se conectaron a un bucle de dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID); un detector sensible de flujo y campo magnético, que se utiliza para ajustar las energías de los qubits. La estructura periódica de las franjas metálicas en la configuración formaba un cristal fonónico (o metamaterial acústico), donde cada raya actuó como una masa adicional en la superficie de cuarzo. La velocidad de grupo de las ondas era mucho menor que la velocidad del sonido en la configuración, permitiendo que las ondas se confinen eficazmente en el dispositivo.

El transductor interdigital (IDT) utilizado en la configuración, ondas acústicas de superficie generadas (SAW) que se propagan en la dirección longitudinal. A diferencia de los resonadores, las olas no se reflejaban en los límites, sino que se filtraban libremente y, como resultado, los modos permitidos en el sistema eran cuasinormales, es decir, oscilaciones amortiguadas. Luego, el equipo describió el hamiltoniano del sistema híbrido (una función que representa la energía total de un sistema). En el sistema experimental, el átomo artificial acoplado a un cristal fonónico interactuó con la onda electromagnética en la línea de transmisión y el equipo describió la dinámica de las ondas dispersas en el átomo artificial, que midieron usando espectroscopía de transmisión. El trabajo contenía información sobre la interacción del átomo con los modos fonónicos.

Los resultados experimentales

Las condiciones experimentales permitieron que las fluctuaciones térmicas de la configuración estuvieran muy por debajo de la energía de los fonones acústicos de superficie, que están en el rango de frecuencias de gigahercios. Los investigadores detectaron la interacción átomo-onda, como un cambio de fase y amplitud de la señal transmitida cerca de la frecuencia de resonancia qubit. Amplificaron la señal transmitida utilizando amplificadores criogénicos y de temperatura ambiente y recopilaron los resultados bajo una variedad de campos magnéticos para encontrar la división de energía del qubit. Los resultados de las divisiones de líneas espectrales demostraron la interacción entre el qubit y cuatro modos cuasinormales (QNM) del cristal fonónico en cuatro frecuencias diferentes. Los factores de alta calidad (también denominados factores Q) utilizados en el experimento aumentaron con el aumento de las franjas metálicas, donde una Q más alta indica una dispersión más lenta de las oscilaciones. Esta observación también fue apoyada mediante simulaciones.

El impacto más amplio en la acústica cuántica

De este modo, Aleksey N. Bolgar y sus colegas demostraron experimentalmente la interacción entre un qubit y un cristal fonónico de onda acústica de superficie (SAW), formado a través de una estructura metálica periódica en la superficie de un material de cuarzo. El equipo encontró los modos del cristal fonónico en el circuito al caracterizar la dispersión de ondas electrodinámicas en un átomo artificial de dos niveles fuertemente acoplado al cristal. Mostraron la interacción del átomo con cuatro modos cuasinormales del cristal. La geometría del dispositivo diseñado era simple y robusta y es más compacta que las configuraciones voluminosas existentes. Los resultados de este trabajo contribuirán a desarrollar dispositivos adecuados para la acústica cuántica fundamental.

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