科技行者量子聲學新進展:利用聲子晶體,簡化混合聲動力裝置結構

量子聲學新進展:利用聲子晶體,簡化混合聲動力裝置結構

量子聲學新進展:利用聲子晶體,簡化混合聲動力裝置結構

量子聲學新進展:利用聲子晶體,簡化混合聲動力裝置結構

2020年12月8日 15:48:56 科技行者
  • 分享文章到微信

    掃一掃
    分享文章到微信

  • 關注官方公眾號-科技行者

    掃一掃
    關注官方公眾號
    科技行者

研究人員最近展示了超導量子比特的相互作用。

來源:科技行者 2020年12月8日 15:48:56

關鍵字:量子聲學

所謂量子比特,是指帶有表面聲波諧振器的量子信息基本單元;在量子物理學中,表面波等效于晶體諧振器。這種現象開啟了新的研究領域,即量子聲動力學。而這一基本理論也有望衍生出新的量子裝置。此次研究的主要挑戰,在于制造千兆赫茲范圍的聲諧振器。在此次發表在《自然通訊·物理學》的新報告中,Aleksey N. Bolgar以及俄羅斯與英國的“人工量子系統與物理學”研究團隊詳細描述了一種通過聲子晶體或聲學超材料取代聲學諧振器,從而實現顯著簡化的混合聲動力裝置結構。

量子聲學新進展:聲子晶體可通過人造原子與傳輸線相耦合

設計裝置。(a)裝置原理圖。人造原子同時與電磁以及聲學系統相耦合。微波光子激發一個人造原子(量子比特),原子又將聲子轉化為聲子晶體。(b)樣品示意圖。電磁波通過共面傳輸線傳播,并與被塑形為transmon的人造原子相互作用。量子比特并聯電容由Np = 140個相同的電極對(金屬條)組成。相應的機械基板表面振蕩以顏色梯度形式表示。(c)樣品的顯微照片。圖中所示為聲子晶體與SQUID薄結構。

聲子晶體的實現方法是在石英表面上添加狹窄的金屬條帶,這種人造原子或金屬物體又與微波傳輸線相互作用。在工程層面來講,傳輸線是一種負責將能量從一個點傳輸至另一點的連接器。科學家使用此裝置將具有不同性質的兩個自由度(即聲與電磁)同單一量子物體耦合起來。使用在人造原子上傳播的電磁波的散射光譜,研究人員即可看到聲子晶體的聲模。器件的幾何形狀由精心設計而來,使其得以在簡單而緊湊的系統上實現量子聲學效果。

超導量子系統

超導量子系統代表著量子信息學領域一種極具發展前景的量子技術,同時也對量子光學與人工原子方面新研究發揮著關鍵作用。這類系統能夠輕松實現強大的耦合機制,甚至在宏觀電路元件上也能建立起同樣的強耦合能力。目前已經有多支研究小組使用人造原子實現了量子聲動力學(QAD),其中的電磁波可以由聲子取代,亦可由光子取代聲子。在本次研究中,Bolgar等研究人員設計出一種混合電路,其中的超導量子比特能夠同時與具有聲子晶體及電磁波的一維(1-D)傳輸線的兩種不同性質的系統(即聲學與電磁系統)實現強耦合。

量子聲學新進展:聲子晶體可通過人造原子與傳輸線相耦合

散射光譜。(a)透射振幅的實驗曲線(藍色),其下沉中心位于量子比特轉換頻率上,并由洛倫茲(紅色曲線)線形擬合。(b)量子比特能譜。綠色垂線顯示了圖(a)數據的測量區域。綠色虛線矩形表示譜線分裂的區域,具體參見子圖(c)中的更多細節。(c)譜線分裂表明量子比特與聲子晶體在四個頻率上的四個似正規模(QNM)之間的相互作用。(d)從系統仿真中獲得的仿真透射相色圖,其重現了(c)中所示的實驗性抗交叉結果。

QAD實驗中還包含另一大關鍵要素,即機構諧振器。此諧振器可以是腔體諧振器,也可以是表面聲波(SAW)諧振器,其在量子電動力學(QED)中發揮類似空腔的作用。由于其波長一般比電磁波短五個數量級,因此可以讓聲學元件更加緊湊。物理學家們之前已經在能夠與超導量子比特耦合的腔體聲諧振器領域進行過一系列開創性的實驗,但將這種諧振器與電子設備集成起來卻始終艱難萬分。在此次實驗中,Bolgar等研究人員將聲學與電磁系統連接起來,使用量子比特扮演中間系統的角色。他們將單一長聲子晶體作為發聲設計,借此為裝置帶來了重要技術優勢。

裝置布局

研究團隊在穩定的石英制壓電基板上開發出這款裝置。此裝置中包含一個Transmon型量子比特,電容耦合至微波傳輸線。在超導量子計算中,transmon充當一種超導電荷量子比特,旨在降低對電荷噪聲的敏感性。此裝置中還包含一個叉指式換能器(IDT),其電極間隔相等且呈金屬條帶狀。IDT電容與電極對的數量成正比。電容電極接入超導量子干涉儀(SQUID)回路;同時設有一個用于調諧量子比特能量的靈敏磁通與磁場檢測器。裝置中金屬條的周期性結構將形成聲子晶體(或聲超材料),其中每個“條”都充當石英表面上的附加質量。聲波的群速度比裝置中的音速慢得多,因此能夠將聲波有效限制在設備當中。

量子聲學新進展:聲子晶體可通過人造原子與傳輸線相耦合

1比1對照樣品的光譜。這里設計了4個擁有3種不同聲子晶體周期的量子比特:a1 ≈ 1.1 μm, a2 ≈ 1.0 μm, a3 = a4 ≈ 0.95 μm。其中3個量子比特展現出其在2.8 GHz (AC 1), 3.1 GHz (AC 2)以及3.3 GHz (AC 3)的預測頻率下與似正規模(QNM)的相互作用。第4個量子比特的頻譜低于其機械模頻率,因此沒有出現抗交叉現象。

二能階系統與似正規模相耦合

裝置中使用的叉指式換能器(IDT)產生沿縱向傳播的表面聲波(SAW)。與諧振器相比,波沒有在邊界處反射,而是自由向外泄出。結果就是,系統中僅存在似正規模,即阻尼振蕩。接下來,團隊描述了混合系統的哈密頓量(此函數用于表示系統中的能量總和)。在實驗系統中,人造原子被耦合至與傳輸線中電磁波相互作用的聲子晶體,其中還描述了人造原子上散射波的動力學特征,并使用透射光譜法對其進行了測量。通過這種方式,研究發現了關于原子與聲子模之間相互作用的重要信息。

量子聲學新進展:聲子晶體可通過人造原子與傳輸線相耦合

似正規模的計算參數。(a)聲子彌散曲線(紅色)接近布里淵第一邊界的形態。似正規模(QNM)用藍點表示。洋紅色箭頭所示,為實驗中觀察到的頻率。(b,c)一組接近帶隙(白色矩形)的QNM品質因子(b)與耦合強度常數(c)。似正規模由藍點表示,橙色點對應于f0,3模。小圖部分顯示了在單獨實驗中,從具有相同幾何形狀的聲子晶體反射信號時測得的實驗振幅。其中的3處凹點對應具有最高耦合強度的f−2,1 = 3.248 GHz, f0,1 = 3.264 GHz以及f0,3 = 3.283 GHz激發。通過凹點寬度提取到的實驗Q因子分別為Q−2,1 = 380, Q0,1 = 1050, Q0,3 = 950,與計算得出的結果高度吻合,詳見(b)所示。

實驗結果

實驗條件允許裝置的熱波動遠低于表面聲波聲子的能量,此聲子的頻率在千兆赫茲范圍之內。研究人員檢測到原子波之間的相互作用,即所發射信號的波相與波幅變化與量子比特的共振頻率相接近。研究人員們使用的低溫與室溫放大器放大了發射信號,并在各種磁場條件下收集結果,以找到量子比特的能級裂距。譜線分裂的結果,證明在4種不同的頻率下量子比特與聲子晶體的4個似正規模(QNM)之間的相互作用。實驗中使用的高品質因子(亦稱為Q因子)將隨著金屬條帶的增加而增加,其中Q越高、則代表振蕩的發散速度越慢。仿真實驗也支持了這一觀察結論。

量子聲學新進展:聲子晶體可通過人造原子與傳輸線相耦合

似正規模的場分布。(a)似正態模f0,1(藍色)與f1,1(綠色)的場Re(Ai(x))的空間依賴性。小圖所示,為叉指式換能器(IDT)電極的場細節。藍色與綠色分別表示極性相反的電極。(b)復數電勢振幅的實部(第5列)與虛部(第6列)的色圖,計算為幾種不同模下電極對上的場差。第7列中的圖顯示了聲波中的能量分布。

對量子聲學的廣泛影響

這樣,Aleksey N. Bolgar及其同事通過實驗證明了量子比特與表面聲波(SAW)聲子晶體之間的相互作用,其中使用的聲子晶體由石英材料表面上的周期性金屬結構形成。研究團隊通過表征電動力波在強耦合至晶體的二能階人工原子上的散射特性,發現了電路當中的聲子晶體模。他們還展示了原子與晶體4種似正規模之間的相互作用。實驗裝置的幾何結構簡單且堅固,較現有方案更為緊湊。這項工作成果有助于開發更多適用于基礎量子聲學研究的器件。

      av种子迅雷下载地址,怎样才能看三级片,韩国三级论理片,哪里有av资源,av臀部系列的番号种子