量子信息平臺(tái)是基于相互通信的量子位元，而光子(光學(xué)和微波)是選擇的載體——到目前為止，在量子位元之間傳輸量子態(tài)。然而在一些固態(tài)系統(tǒng)中，被稱為聲子材料本身聲學(xué)振動(dòng)特性可能是有利的。在表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)期刊上的一項(xiàng)研究中，美國(guó)分子工程、物理和材料科學(xué)跨學(xué)科部門的b·比恩費(fèi)特(B. Bienfait)及其同事描述了通過聲學(xué)通信通道對(duì)旅行(流動(dòng))聲子的確定性發(fā)射和捕獲，從而實(shí)現(xiàn)基于聲子的量子態(tài)相干轉(zhuǎn)移。
科學(xué)家們讓聲子從一個(gè)超導(dǎo)量子位元(人造原子)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子位元，并在研究期間觀察了兩個(gè)量子位元在聲道中的量子糾纏(每個(gè)粒子的量子態(tài)不能獨(dú)立于另一個(gè)粒子的量子態(tài)來描述)。Bienfait等人提供了一種新的方法來耦合混合量子固態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用表面聲波作為量子通信中的“良好振動(dòng)”，用于未來的聲子應(yīng)用。聲子，或者更具體地說，表面聲波聲子，被提出作為一種相干耦合遙遠(yuǎn)的固態(tài)量子系統(tǒng)的方法。例如，共振結(jié)構(gòu)中的單個(gè)聲子可以用超導(dǎo)量子位(描述為宏觀、光刻定義的人工原子)來控制和檢測(cè)，從而產(chǎn)生和測(cè)量復(fù)雜、穩(wěn)定的聲子狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)裝置：(A至C)倒裝芯片組裝裝置(A)的縮微圖(A)，兩個(gè)超導(dǎo)量子位(Q1和Q2，藍(lán)色)連接到兩個(gè)可調(diào)諧耦合器(G1和G2，紫色)上，這兩個(gè)可調(diào)諧耦合器(B)通過兩個(gè)疊加電感(綠色)連接到一個(gè)SAW諧振器(C)上，這兩個(gè)可調(diào)諧耦合器(G1和G2，紫色)連接在藍(lán)寶石(B)上。圖片：Science
在本研究中，Bienfait等報(bào)道了確定發(fā)射和捕獲行表面聲波聲子，從而在實(shí)驗(yàn)裝置中允許兩個(gè)超導(dǎo)量子位元的量子糾纏。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)2毫米長(zhǎng)的聲學(xué)量子通信通道，這使得一條大約500納秒的延遲線能夠演示聲子的發(fā)射和重獲?？茖W(xué)家們以67%的效率觀察了兩個(gè)超導(dǎo)量子位元之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)移，利用聲子的部分轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了一個(gè)保真度為84%的糾纏鐘對(duì)。在分布式量子信息處理中，電磁波作為遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)間量子信息的載體發(fā)揮著獨(dú)特作用。
分子工程研究所的研究人員致力于超導(dǎo)量子技術(shù)。圖片：Nancy Wong
先前量子實(shí)驗(yàn)使用微波光子來證明超導(dǎo)體量子位元之間產(chǎn)生的確定性和概率性遠(yuǎn)端糾纏，以達(dá)到60%到95%的糾纏信度。對(duì)于某些固態(tài)量子系統(tǒng)，例如靜電定義的量子點(diǎn)或電子自旋，電子的量子特性(也稱為自旋電子學(xué))，與宿主材料的強(qiáng)相互作用使聲振動(dòng)(或聲子)成為比光子候選體更好的選擇。例如，表面聲波聲子(SAW)被認(rèn)為是耦合遠(yuǎn)程量子系統(tǒng)的通用介質(zhì)。這些聲子還可以有效地在微波和光學(xué)頻率之間轉(zhuǎn)換，將微波量子位元與光學(xué)光子連接起來。因此，許多人在實(shí)驗(yàn)之后提出了用超導(dǎo)量子位元來顯示行鋸聲子的相干發(fā)射和探測(cè)，而聲音則扮演光的角色。
左圖：簡(jiǎn)化電路圖，翻轉(zhuǎn)鈮酸鋰芯片上的灰框表示元件。右圖：(A-B)詳細(xì)描述IDT和布拉格反射鏡的掃描電子顯微圖。(C)在最大耦合下測(cè)量的提取的量子位元衰減速率。衰變主要由IDT的聲子發(fā)射所控制。藍(lán)色圓圈是從指數(shù)衰減擬合中提取；紅色虛線為預(yù)測(cè)電路模型。圖片：Science
科學(xué)家們已經(jīng)使用旅行鋸聲子在量子點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移電子，從而使航天飛機(jī)運(yùn)送單個(gè)電子，將它們耦合到氮空位中心，甚至驅(qū)動(dòng)碳化硅自旋。在之前的工作中，研究人員還設(shè)計(jì)了駐波聲鋸聲子相干耦合到超導(dǎo)量子位元，以按需創(chuàng)建、檢測(cè)和控制量子聲學(xué)狀態(tài)。因此，Bienfait等人在本研究中利用行波(巡回)聲子實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)超導(dǎo)量子位元之間量子態(tài)的傳輸。在器件的聲學(xué)部分使用具有2毫米有效法布里 - 珀羅鏡面間距的SAW諧振器，以產(chǎn)生行程時(shí)間約為0.5微秒（μs）的單程行進(jìn)聲子。
通過設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中量子位元與法布里-珀羅模的耦合使聲子完全注入聲道。Bienfait等人隨后將諧振器耦合到兩個(gè)頻率可調(diào)的超導(dǎo)“Xmon”量子位，Q1和Q2(其中“Xmon”量子位最先由巴倫茲等人引入)，同時(shí)使用另外兩個(gè)可調(diào)耦合器G1和G2電子控制它們的耦合。科學(xué)家們可以在幾納秒內(nèi)將每個(gè)耦合器從最大耦合切換到關(guān)閉，以隔離量子位元?？茖W(xué)家們?cè)谒{(lán)寶石襯底上設(shè)計(jì)了可調(diào)諧耦合器、量子位及其各自的控制和讀出線，同時(shí)在單獨(dú)的鈮酸鋰襯底上構(gòu)建了聲表面波諧振器。對(duì)于聲表面波諧振器，他們使用了兩個(gè)聲學(xué)反射鏡。
圖示(A)校準(zhǔn)控制脈沖(插圖)確保釋放時(shí)間對(duì)稱聲子及其有效捕獲。(B)掃過發(fā)射控制脈沖與捕獲控制脈沖之間的延遲時(shí)，測(cè)量到Q1的激發(fā)態(tài)總體，證明總體隨穿越次數(shù)呈幾何遞減(灰色線)。(C)最大效率點(diǎn)(B)處的量子過程層析，過程保真度F1=0.83±0.002。(I)表示恒等算子，X、Y、Z表示泡利算子。在(A)到(C)中，虛線表示包含有限傳輸效率和量子位缺陷的主方程模擬結(jié)果。圖片：Science
在中心聲發(fā)射-接收裝置的兩側(cè)各有兩個(gè)布拉格反射鏡(介電鏡)。對(duì)于聲發(fā)射體，他們使用一個(gè)數(shù)字間換能器(IDT)連接到一個(gè)公共的電氣端口。科學(xué)家們?cè)贗DT上施加一個(gè)電脈沖，形成兩個(gè)對(duì)稱的電鋸脈沖，它們向相反的方向運(yùn)動(dòng)，反射到鏡子上，在508納秒內(nèi)完成一次往返。Bienfait等人控制了量子位元與IDT的耦合，方便了行聲子在諧振腔中的時(shí)域形狀發(fā)射。為了在實(shí)驗(yàn)中表征發(fā)射特性，首先對(duì)量子位元進(jìn)行激發(fā)，并監(jiān)測(cè)其激發(fā)態(tài)總體，然后將激發(fā)態(tài)衰減作為聲子發(fā)射的產(chǎn)物考慮進(jìn)去。
接下來，科學(xué)家們用量子比特Q1進(jìn)行了一個(gè)單聲子“乒乓”實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)展示了移動(dòng)聲子的發(fā)射和捕獲。在實(shí)驗(yàn)中將耦合器G1設(shè)置為最大，同時(shí)關(guān)閉G2耦合器來監(jiān)測(cè)Q1的興奮態(tài)種群(Pe)。研究表明，在實(shí)驗(yàn)裝置中，發(fā)射持續(xù)了大約150納秒，之后Pe在聲子傳輸過程中保持在接近零的水平。約0.5μs后，Bienfait等人能夠重新捕獲返回的聲子，捕獲效率為67％在連續(xù)的傳輸過程中，科學(xué)家觀察到捕獲效率的幾何下降，他們將其歸因于聲學(xué)通道內(nèi)的損失。
圖示初在|e?中準(zhǔn)備Q1，G1上控制信號(hào)釋放并隨后將半個(gè)聲子重新捕獲到諧振器。同時(shí)將一個(gè)持續(xù)變化的20MHz失諧脈沖施加到Q1，使其相位改變?chǔ)う?。（A）在時(shí)間t之后中斷序列時(shí)測(cè)量的Q1激發(fā)態(tài)群體，具有相位差Δφ= 0（正方形）或π（圓形）。插圖顯示了控制序列。（B）作為半光子和半聲子之間的相位差Δφ的函數(shù)，tf =0.65μs的Q1最終狀態(tài)Pe（t = tf）。圈子是實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，虛線是基于輸入 - 輸出理論模型的模擬。圖片：Science
然后通過隨時(shí)間重建過程矩陣，對(duì)單量子位元釋放捕獲操作進(jìn)行了量子過程層析。當(dāng)兩體相互作用不可用時(shí)，量子過程層析技術(shù)是分析量子系統(tǒng)最合適、最有效的方法。隨后，科學(xué)家們證明了單量子位元聲子發(fā)射和捕獲過程的干涉性質(zhì)。由于量子退相干(粒子的量子衰減或量子行為的丟失)過程中量子糾纏和機(jī)械疊加方案的監(jiān)測(cè)具有挑戰(zhàn)性，Bienfait等制備了處于過渡態(tài)的Q1發(fā)出半聲子，并在一次躍遷后用Q1再次捕獲?？茖W(xué)家們將捕獲定義為發(fā)射的時(shí)間反轉(zhuǎn)，并預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)裝置中，這兩個(gè)半量子要么會(huì)破壞性地干擾
導(dǎo)致量子比特重新激發(fā)，要么會(huì)對(duì)其總發(fā)射產(chǎn)生建設(shè)性的影響。正如預(yù)測(cè)的那樣，當(dāng)反射的半聲子建設(shè)性地干擾存儲(chǔ)在q1中的發(fā)射的半聲子時(shí)，傳輸?shù)铰暠砻婀舱衿鞯目偰芰?，而破壞性干擾會(huì)導(dǎo)致量子位元重新激發(fā)?？茖W(xué)家們用一個(gè)模擬來包括信道損耗和量子比特去相位，來復(fù)制實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，并將模擬的任何不匹配歸因于系統(tǒng)的缺陷。Bienfait等利用實(shí)驗(yàn)聲學(xué)通信信道傳輸量子態(tài)，在兩個(gè)量子位元之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏。研究人員還演示了Q1和Q2這兩個(gè)量子位元之間的量子交換。這是可能的，因?yàn)榭茖W(xué)家可以順序地在聲表面波共振器中存儲(chǔ)最多三個(gè)移動(dòng)聲子。
這個(gè)過程有很高的保真率，科學(xué)家們把任何偏差都?xì)w因于聲音損失。和之前一樣，使用聲道在Q1和Q2之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程量子糾纏來創(chuàng)建鐘形態(tài)。Bienfait等人通過實(shí)驗(yàn)證明，在有限的法布里-珀羅諧振腔中控制聲子的釋放和捕獲，主要受到聲學(xué)損耗的限制，其結(jié)果清晰而令人信服。他們證明了發(fā)射和捕獲過程不是由諧振器的長(zhǎng)度決定，所以同樣的過程也適用于非諧振聲學(xué)設(shè)備?？偟膩碚f，科學(xué)家們?cè)敿?xì)描述了在兩個(gè)量子位元之間產(chǎn)生高保真糾纏的實(shí)驗(yàn)過程，這些結(jié)果將為實(shí)現(xiàn)聲子的基本量子通信協(xié)議奠定基礎(chǔ)。
圖示(A)通過聲道進(jìn)行量子位狀態(tài)交換，控制脈沖顯示在左側(cè)。(B)聲學(xué)糾纏。| e?Q1最初控制信號(hào)應(yīng)用于G1釋放一半的聲子頻道。在(A)和(B),圓形和方形Q1和Q2激發(fā)態(tài)種群同時(shí)測(cè)量時(shí)間t。(C和D)預(yù)期值重建two-qubit保利運(yùn)營(yíng)商(C)的貝爾狀態(tài)密度矩陣(D)在t = 0.65μs。在(C)和(D),實(shí)線表示值的預(yù)期理想貝爾狀態(tài)|Ψ?=(|如?+ |通用?)/ 2 -√。在(A)到(D)中，虛線是包含有限傳輸效率和量子位缺陷的模擬結(jié)果。圖片：Science
博科園-科學(xué)科普｜c(diǎn)opyright Science X Network/Thamarasee Jeewandara/Phys
參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)》,《科學(xué)進(jìn)展》,《物理評(píng)論快報(bào)》,《自然》
DOI: 10.1126/science.aaw8415
DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.220502
DOI: 10.1038/s41586-018-0719-5
DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7
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