В МФТИ создали квантовый чип со звуковым резонатором

Исследователи 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.

Подход может обеспечить им большую устойчивость в работе и компактность. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

Рисунок 1. Схема чипа. Резонатор Фабри-Перо состоит из двух Брэгговских зеркал — каждое состоит из 200 параллельных полос (показаны жёлтым), отстоящих друг от друга на половину длины акустической волны. Длина волны равна 0,98 мкм, или 980 нм. В резонаторе находится кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приёмник 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, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объёмных 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", — рассказывает Алексей Болгар, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в которой было выполнено исследование.

 

Рисунок 2. Энергетический спектр трасмона похож на энергетический спектр атома. Частота перехода между первыми двумя уровнями равна ω01   

Учёные изучали взаимодействие сверхпроводящего кубита — трансмона — с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Трансмон ведёт себя как искусственный атом, то есть у него есть энергетические уровни, между которыми он может переходить (см. рисунок 2). 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 возбуждённое 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 квантовоакустический подход развит далеко не так сильно, как микроволновый, у него есть много преимуществ.

Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. 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 нём 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 (0,0 001 секунды). В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра, что позволяет размещать высокодобротные 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 (см. рисунок 3). 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.

Авторы статьи использовали резонатор, который работает на поверхностных акустических волнах — это волны, как на поверхности моря, но возникающие на поверхности твёрдого тела. Собранный чип показан на рисунке 4. На пьезоэлектрическую подложку из кварца напыляется алюминиевая схема из трансмона, резонатора и двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП). Один ВШП действует как излучатель, другой — как приёмник, 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, ёмкость 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, охлаждённом до десятков милликельвин.

 

Рисунок 3. 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 4. 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 5). 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. Учёные пронаблюдали это явление в созданном ими чипе и доказали, что трасмон и акустический резонатор взаимодействуют в квантовом режиме.

 

Рисунок 5. 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 учёные из МИСиС, МГПУ, Лондонского университета.

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

Источник

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить

Срочные новости

Воздух в лесу под Дмитровом - самый чист…

В Дмитровском районе Подмосковья найдено второе в области местообитание редкого лишайника бриория На...

Дубненки получили орден "Материнска…

Юлия Каплунова и Елена Кулагина из Дубны, каждая из которых растит шестерых детей, получили знак "Ма...

УК расскажут о раздельном сборе на Дне о…

15 декабря в управляющих организациях Московской области пройдет четвертый за этот год День открытых...

Депутаты принимают просителей сегодня

11 декабря 2018 года с 17.00 до 19.00 проводится прием населения депутатами городского совета. Депут...

Памятка гражданину. Как противостоять ко…

Коррупция – это злоупотребление служебным положением, дача взятки, получение взятки физическим лицом...

Реклама

Объявления

Новости бизнеса

"Тензор" изготовит системы защиты для АЭ…

Приборный завод "ТЕНЗОР" выбран госкорпорацией "Росатом" исп...

Крупнейшие зарубежные нефтегазовые компании готовы…

В ОЭЗ «Дубна» прошло заседание Совета главных конструкторо...

ОЭЗ "Дубна" уже не первая в России

...А вторая по степени инвестиционной привлекательности ос...

9 резидентов ОЭЗ «Дубна» реализуют проекты с учас…

Радио- и микроэлектроника, биомедицина, станкостроение – и...

ОЭЗ «Дубна» рассмотрит возможность членства в WFZO

16 ноября начальник отдела по взаимодействию с резидентами...

Мы в соц сетях

VK
ОК
FB
G+

 

Блоги

Подпишитесь на новые события нашего сайта:Подписаться