量子信息平台是基于相互通信的量子位元，而光子(光学和微波)是选择的载体——到目前为止，在量子位元之间传输量子态。然而在一些固态系统中，被称为声子材料本身声学振动特性可能是有利的。
在表在《科学进展》(Science Advances)期刊上的一项研究中，美国分子工程、物理和材料科学跨学科部门的b·比恩费特(B. Bienfait)及其同事描述了通过声学通信通道对旅行(流动)声子的确定性发射和捕获，从而实现基于声子的量子态相干转移。
科学家们让声子从一个超导量子位元(人造原子)转移到另一个量子位元，并在研究期间观察了两个量子位元在声道中的量子纠缠(每个粒子的量子态不能独立于另一个粒子的量子态来描述)。Bienfait等人提供了一种新的方法来耦合混合量子固态系统，该系统使用表面声波作为量子通信中的“良好振动”，用于未来的声子应用。声子，或者更具体地说，表面声波声子，被提出作为一种相干耦合遥远的固态量子系统的方法。例如，共振结构中的单个声子可以用超导量子位(描述为宏观、光刻定义的人工原子)来控制和检测，从而产生和测量复杂、稳定的声子状态。
实验装置：(A至C)倒装芯片组装装置(A)的缩微图(A)，两个超导量子位(Q1和Q2，蓝色)连接到两个可调谐耦合器(G1和G2，紫色)上，这两个可调谐耦合器(B)通过两个叠加电感(绿色)连接到一个SAW谐振器(C)上，这两个可调谐耦合器(G1和G2，紫色)连接在蓝宝石(B)上。图片：Science
在本研究中，Bienfait等报道了确定发射和捕获行表面声波声子，从而在实验装置中允许两个超导量子位元的量子纠缠。他们在实验中使用了一个2毫米长的声学量子通信通道，这使得一条大约500纳秒的延迟线能够演示声子的发射和重获。科学家们以67%的效率观察了两个超导量子位元之间的量子态转移，利用声子的部分转移，产生了一个保真度为84%的纠缠钟对。在分布式量子信息处理中，电磁波作为远距离量子节点间量子信息的载体发挥着独特作用。
分子工程研究所的研究人员致力于超导量子技术。图片：Nancy Wong
先前量子实验使用微波光子来证明超导体量子位元之间产生的确定性和概率性远端纠缠，以达到60%到95%的纠缠信度。对于某些固态量子系统，例如静电定义的量子点或电子自旋，电子的量子特性(也称为自旋电子学)，与宿主材料的强相互作用使声振动(或声子)成为比光子候选体更好的选择。例如，表面声波声子(SAW)被认为是耦合远程量子系统的通用介质。这些声子还可以有效地在微波和光学频率之间转换，将微波量子位元与光学光子连接起来。因此，许多人在实验之后提出了用超导量子位元来显示行锯声子的相干发射和探测，而声音则扮演光的角色。
左图：简化电路图，翻转铌酸锂芯片上的灰框表示元件。右图：(A-B)详细描述IDT和布拉格反射镜的扫描电子显微图。(C)在最大耦合下测量的提取的量子位元衰减速率。衰变主要由IDT的声子发射所控制。蓝色圆圈是从指数衰减拟合中提取；红色虚线为预测电路模型。图片：Science
科学家们已经使用旅行锯声子在量子点之间转移电子，从而使航天飞机运送单个电子，将它们耦合到氮空位中心，甚至驱动碳化硅自旋。在之前的工作中，研究人员还设计了驻波声锯声子相干耦合到超导量子位元，以按需创建、检测和控制量子声学状态。因此，Bienfait等人在本研究中利用行波(巡回)声子实验实现了两个超导量子位元之间量子态的传输。在器件的声学部分使用具有2毫米有效法布里 - 珀罗镜面间距的SAW谐振器，以产生行程时间约为0.5微秒（μs）的单程行进声子。
通过设计，系统中量子位元与法布里-珀罗模的耦合使声子完全注入声道。Bienfait等人随后将谐振器耦合到两个频率可调的超导“Xmon”量子位，Q1和Q2(其中“Xmon”量子位最先由巴伦兹等人引入)，同时使用另外两个可调耦合器G1和G2电子控制它们的耦合。科学家们可以在几纳秒内将每个耦合器从最大耦合切换到关闭，以隔离量子位元。科学家们在蓝宝石衬底上设计了可调谐耦合器、量子位及其各自的控制和读出线，同时在单独的铌酸锂衬底上构建了声表面波谐振器。对于声表面波谐振器，他们使用了两个声学反射镜。
图示(A)校准控制脉冲(插图)确保释放时间对称声子及其有效捕获。(B)扫过发射控制脉冲与捕获控制脉冲之间的延迟时，测量到Q1的激发态总体，证明总体随穿越次数呈几何递减(灰色线)。(C)最大效率点(B)处的量子过程层析，过程保真度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，虚线表示包含有限传输效率和量子位缺陷的主方程模拟结果。图片：Science
在中心声发射-接收装置的两侧各有两个布拉格反射镜(介电镜)。对于声发射体，他们使用一个数字间换能器(IDT)连接到一个公共的电气端口。科学家们在IDT上施加一个电脉冲，形成两个对称的电锯脉冲，它们向相反的方向运动，反射到镜子上，在508纳秒内完成一次往返。Bienfait等人控制了量子位元与IDT的耦合，方便了行声子在谐振腔中的时域形状发射。为了在实验中表征发射特性，首先对量子位元进行激发，并监测其激发态总体，然后将激发态衰减作为声子发射的产物考虑进去。
接下来，科学家们用量子比特Q1进行了一个单声子“乒乓”实验，通过实验展示了移动声子的发射和捕获。在实验中将耦合器G1设置为最大，同时关闭G2耦合器来监测Q1的兴奋态种群(Pe)。研究表明，在实验装置中，发射持续了大约150纳秒，之后Pe在声子传输过程中保持在接近零的水平。约0.5μs后，Bienfait等人能够重新捕获返回的声子，捕获效率为67％在连续的传输过程中，科学家观察到捕获效率的几何下降，他们将其归因于声学通道内的损失。
图示初在|e⟩中准备Q1，G1上控制信号释放并随后将半个声子重新捕获到谐振器。同时将一个持续变化的20MHz失谐脉冲施加到Q1，使其相位改变Δφ。（A）在时间t之后中断序列时测量的Q1激发态群体，具有相位差Δφ= 0（正方形）或π（圆形）。插图显示了控制序列。（B）作为半光子和半声子之间的相位差Δφ的函数，tf =0.65μs的Q1最终状态Pe（t = tf）。圈子是实验点，虚线是基于输入 - 输出理论模型的模拟。图片：Science
然后通过随时间重建过程矩阵，对单量子位元释放捕获操作进行了量子过程层析。当两体相互作用不可用时，量子过程层析技术是分析量子系统最合适、最有效的方法。随后，科学家们证明了单量子位元声子发射和捕获过程的干涉性质。由于量子退相干(粒子的量子衰减或量子行为的丢失)过程中量子纠缠和机械叠加方案的监测具有挑战性，Bienfait等制备了处于过渡态的Q1发出半声子，并在一次跃迁后用Q1再次捕获。科学家们将捕获定义为发射的时间反转，并预测在实验装置中，这两个半量子要么会破坏性地干扰
导致量子比特重新激发，要么会对其总发射产生建设性的影响。正如预测的那样，当反射的半声子建设性地干扰存储在q1中的发射的半声子时，传输到声表面共振器的总能量，而破坏性干扰会导致量子位元重新激发。科学家们用一个模拟来包括信道损耗和量子比特去相位，来复制实验观察结果，并将模拟的任何不匹配归因于系统的缺陷。Bienfait等利用实验声学通信信道传输量子态，在两个量子位元之间产生远程纠缠。研究人员还演示了Q1和Q2这两个量子位元之间的量子交换。这是可能的，因为科学家可以顺序地在声表面波共振器中存储最多三个移动声子。
这个过程有很高的保真率，科学家们把任何偏差都归因于声音损失。和之前一样，使用声道在Q1和Q2之间产生远程量子纠缠来创建钟形态。Bienfait等人通过实验证明，在有限的法布里-珀罗谐振腔中控制声子的释放和捕获，主要受到声学损耗的限制，其结果清晰而令人信服。他们证明了发射和捕获过程不是由谐振器的长度决定，所以同样的过程也适用于非谐振声学设备。总的来说，科学家们详细描述了在两个量子位元之间产生高保真纠缠的实验过程，这些结果将为实现声子的基本量子通信协议奠定基础。
图示(A)通过声道进行量子位状态交换，控制脉冲显示在左侧。(B)声学纠缠。| e⟩Q1最初控制信号应用于G1释放一半的声子频道。在(A)和(B),圆形和方形Q1和Q2激发态种群同时测量时间t。(C和D)预期值重建two-qubit保利运营商(C)的贝尔状态密度矩阵(D)在t = 0.65μs。在(C)和(D),实线表示值的预期理想贝尔状态|Ψ⟩=(|如⟩+ |通用⟩)/ 2 -√。在(A)到(D)中，虚线是包含有限传输效率和量子位缺陷的模拟结果。图片：Science
网友评论