Текст уведомления здесь

В МФТИ разработали концепцию акустических квантовых компьютеров

Они будут надежные и миниатюрные.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа ученых из МФТИ, НИТУ «МИСиС», МГПУ и Лондонского университета создала искусственную квантовую систему, в которой квантовый бит взаимодействует с акустическим резонатором в квантовом режиме. Это впервые в мировой практике позволит изучать на акустических волнах известные эффекты квантовой оптики. Потенциально на этой основе можно развить альтернативный — акустический подход к созданию квантовых компьютеров. В теории это сможет обеспечить им большую устойчивость в работе и компактность. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters.

Энергетический спектр трасмона похож на энергетический спектр атома. Частота перехода между первыми двумя уровнями равна ω 01. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ
Энергетический спектр трасмона похож на энергетический спектр атома. Частота перехода между первыми двумя уровнями равна ω 01. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Сегодня одной из самых перспективных схем для кубитов является сверхпроводящий кубит — трансмон — с поверхностными акустическими (звуковыми) волнами в резонаторе. Трансмон ведет себя как искусственный атом, то есть у него есть энергетические уровни, между которыми он может переходить. Если на одной микросхеме с кубитом расположить микроволновый резонатор, который будет поддерживать и усиливать микроволны, то кубит начнет с ним взаимодействовать. Он сможет переходить в возбужденное или основное состояние, поглощая из резонатора или излучая в него фотон с частотой, равной частоте перехода кубита из одного состояния в другое. При этом резонансная частота самого резонатора будет изменяться в зависимости от состояния кубита. Таким образом, измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение и запись информации с помощью кубита. Не так давно начались попытки вместо микроволн (фотонов) использовать механическое воздействие (фононы) в виде акустических волн.

Микроволновый чип. На квадратном участке — их всего семь — расположен кубит. Изогнутые линии — это микроволновые резонаторы, у каждого из них своя резонансная частота. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Микроволновый чип. На квадратном участке — их всего семь — расположен кубит. Изогнутые линии — это микроволновые резонаторы, у каждого из них своя резонансная частота. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Хотя квантовоакустический подход развит далеко не так сильно, как микроволновый, у него есть масса преимуществ. Скорость распространения акустических волн в сто тысяч раз меньше скорости света, а следовательно, и длины волн меньше во столько же раз. В микроволновой квантовой системе длина волны будет не менее сантиметра, а для акустической — около микрометра (в 10 000 раз меньше). Также, как известно, чем больше резонатор, тем больше в нем оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности микросхемы. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита (не более ста миллионных долей секунды), что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание полноценного квантового компьютера. Акустические резонаторы могут иметь размеры всего в 300 микрон, а значит, дефектов в них будет много меньше, чем в микроволновых.

Авторы статьи использовали резонатор, который работает на поверхностных акустических волнах. При его сборке на пьезоэлектрическую подложку микросхемы 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.

Акустический чип. Размер всей системы соизмерим с размером квадратного участка. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ
Акустический чип. Размер всей системы соизмерим с размером квадратного участка. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Целью исследования было показать, что кубит может взаимодействовать с резонатором, возбуждаясь и релаксируя (то есть переходя то на один энергетический уровень выше, то ниже), как квантовый объект. Ученые пронаблюдали это явление в созданной ими микросхеме и экспериментально доказали, что трансмон и акустический резонатор действительно взаимодействуют в квантовом режиме. До сих пор нечто подобное с акустическими резонаторами удавалось показать только на объемных резонаторах. Но такие устройства «не пошли» — возможно, из-за сложности производства. Новый образец устроен проще: вся система размещена на одной плоской микросхеме.

Схема чипа. Резонатор Фабри — Перо состоит из двух брэгговских зеркал — каждое состоит из 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 находится кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приемник и излучатель. Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ
Схема чипа. Резонатор Фабри — Перо состоит из двух брэгговских зеркал — каждое состоит из 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 находится кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приемник и излучатель. Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. Изображение: Елена Хавина / пресс-служба МФТИ

Таким образом, была достигнута главная цель эксперимента — показать, что явления и эффекты квантовой оптики вполне работают и для акустических волн. На микроволновых интерфейсах собирают уже до 50 кубитов, работающих в одной системе, и акустическим пока до этого далеко. Но, как показано выше, у квантовой акустики много преимуществ, на основе которых можно ожидать создания куда более надежных и компактных квантовых компьютеров будущего. И новая работа российских ученых — первая демонстрация реальности этого пути.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы