Des chercheurs de Russie et de Grande-Bretagne ont démontré un système quantique artificiel dans lequel un bit quantique interagit avec un résonateur acoustique dans le régime quantique. Cela permet d'appliquer les principes de l'optique quantique à l'étude des ondes acoustiques et permet une approche alternative à la conception d'ordinateurs quantiques basée sur l'acoustique. Cela pourrait également rendre les ordinateurs quantiques plus stables et compacts. L'article présentant les résultats a été publié dans Lettres d'examen physique .

« Nous sommes les premiers à démontrer une interaction entre un qubit et un résonateur à ondes acoustiques de surface dans le régime quantique. Auparavant, des résonateurs de ce genre ont été étudiés, mais sans qubit. De même, des qubits avec des ondes acoustiques de surface ont été étudiés, mais c'étaient des vagues vives, sans résonateur. Le régime quantique a été démontré sur des résonateurs massifs, mais ce n'est pas allé loin, peut-être en raison de difficultés de fabrication. Nous avons utilisé une structure plane fabriquée avec les technologies existantes, " dit Alexeï Bolgar, chercheur au laboratoire de systèmes quantiques artificiels du MIPT, où l'étude a été menée.

Les chercheurs ont étudié l'interaction d'un qubit supraconducteur, un transmon, avec des ondes acoustiques de surface dans un résonateur (figure 1). Le transmon se comporte comme un atome artificiel, c'est-à-dire il possède plusieurs niveaux d'énergie (figure 2) et subit des transitions entre eux. L'approche micro-ondes conventionnelle consiste à avoir une puce contenant à la fois le qubit et un résonateur micro-ondes supportant et amplifiant l'onde. Dans cette configuration, le qubit peut interagir avec le résonateur soit en en absorbant un photon et en entrant dans un état excité, soit en y émettant un photon et en revenant à l'état fondamental, à condition que la fréquence des photons corresponde à la fréquence de transition du qubit. La fréquence de résonance du résonateur lui-même varie en fonction de l'état du qubit. Par conséquent, en changeant les caractéristiques du résonateur, il est possible de lire les informations du qubit.

Une approche alternative a récemment émergé. Au lieu de rayonnement micro-ondes (photons), il utilise des excitations mécaniques, ou phonons, sous forme d'ondes acoustiques. Cette approche acoustique quantique a été beaucoup moins développée, par rapport à son homologue micro-ondes, mais il a un certain nombre d'avantages.

Puisque les ondes acoustiques se propagent à 100, 000 fois plus lent que la lumière, leur longueur d'onde est donc plus courte. La taille d'un résonateur doit "s'adapter" à la longueur d'onde utilisée. Dans un système quantique hyperfréquence, la longueur d'onde est d'environ 1 centimètre au mieux. Cela signifie que le résonateur doit être assez grand, mais plus il est grand, plus il a de défauts, car ils sont inévitablement présents à la surface de la puce. En raison de ces défauts, la durée de vie d'un état qubit est courte, altérant les calculs quantiques à grande échelle et compliquant la création d'ordinateurs quantiques. A partir de maintenant, le record du monde de la durée de vie la plus longue est d'environ 100 microsecondes, ou un dix millième de seconde. Dans l'approche acoustique, la longueur d'onde est d'environ 1 micromètre, il est donc possible d'installer des résonateurs de haute qualité mesurant seulement 300 micromètres sur la puce.

Un autre problème avec les micro-ondes est que les grandes longueurs d'onde rendent impossible de mettre deux qubits dans un résonateur pour permettre une interaction à différentes fréquences. Par conséquent, un résonateur séparé est nécessaire pour chaque qubit (voir figure 3). Dans l'approche acoustique, un résonateur mécanique peut accueillir plusieurs qubits avec des fréquences de transition légèrement différentes. Cela signifie qu'une puce quantique basée sur les ondes sonores serait beaucoup plus petite que celles disponibles actuellement. De plus, l'acoustodynamique pourrait résoudre le problème de la sensibilité du système quantique au bruit électromagnétique.

Les auteurs de l'article ont utilisé un résonateur pour les ondes acoustiques de surface. Celles-ci sont un peu similaires aux vagues de la mer mais se propagent dans les solides. La figure 4 montre la puce créée dans l'étude. Un circuit en aluminium est déposé sur un substrat piézoélectrique en quartz. Le circuit se compose d'un transmon, un résonateur, et deux transducteurs interdigitaux. Les deux transducteurs servent d'émetteur et de récepteur. Entre eux, il y a une couche piézoélectrique faite d'un matériau qui convertit les contraintes mécaniques en électricité et vice versa. Une onde acoustique de surface générée sur le matériau piézoélectrique est capturée entre les deux réseaux de Bragg du résonateur. Le qubit, ou transmon, contenu dans le résonateur a deux niveaux d'énergie, et la capacité qubit est implémentée sous forme de transducteurs interdigitaux. Le but de l'étude était de montrer que le qubit peut interagir avec le résonateur, devenant excité et détendu comme le ferait un système quantique. Les mesures ont été faites dans un cryostat à des températures de l'ordre de quelques dizaines de millikelvins.

Un trait caractéristique du régime quantique est ce qu'on appelle le croisement évité des niveaux d'énergie (figure 5). La fréquence de transition du qubit peut être réglée via un champ magnétique externe - pour permettre cela, le transmon est équipé d'un magnétomètre SQUID. Si la fréquence du résonateur coïncide avec la fréquence de transition qubit, la division de l'énergie est observée dans le spectre d'énergie du qubit, c'est-à-dire une valeur de flux magnétique correspond à deux fréquences de transition caractéristiques. Les chercheurs ont observé ce phénomène dans leur puce et ont montré que le transmon et le résonateur acoustique interagissent dans le régime quantique.

L'objectif fondamental de cette recherche est de démontrer que les phénomènes et effets de l'optique quantique s'appliquent également à l'acoustique. En outre, il fournit une autre façon de construire un ordinateur quantique. Bien que les interfaces micro-ondes atteignent un nombre impressionnant de 50 qubits, ce qui signifie que l'acoustique quantique a encore un long chemin à parcourir, cette dernière approche présente de nombreux avantages qui pourraient s'avérer utiles à l'avenir.