MediaKIT
Российская Федерация

В МФТИ разработали концепцию акустических квантовых компьютеров

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.

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.

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.

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

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.

Дата публикации: 6 июня 2018

Ваш комментарий

Ваш E-mail не будет отображаться. обязательные поля отмечены *

Связаться с нами

129323 г. Москва, проезд Русанова д.25 корпус 1

8 (495) 117-16-81

info@mediakit-ia.ru

Сайт является официальным СМИ Российской Федерации: ЭЛ № ФС 77-71220 от 27  сентября 2017  года, выдано федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций .
При любом использовании материалов сайта открытая для индексации гиперссылка обязательна.
Отдельные статьи, фото и видеоматериалы могут содержать информацию предназначенную для читателей 18+ (запрещено для детей).

Мы в соц. сетях