В МФТИ создали квантовый чип со звуковым резонатором

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 ?01   

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 микроволновыйэлектромагнитныйрезонатор 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.