Les plateformes d'information quantique sont basées sur des qubits qui communiquent entre eux et les photons (optiques et micro-ondes) sont le vecteur de choix - à ce jour, pour transférer des états quantiques entre qubits. Cependant, dans certains systèmes à semi-conducteurs, les propriétés vibratoires acoustiques du matériau elles-mêmes connues sous le nom de phonons peuvent être avantageuses. Dans une étude récente publiée sur Avancées scientifiques , B. Bienfait et ses collègues des départements interdisciplinaires de Génie Moléculaire, La physique et la science des matériaux aux États-Unis ont décrit l'émission et la capture déterministes de phonons itinérants via un canal de communication acoustique, pour permettre un transfert cohérent d'états quantiques basé sur les phonons.

Les scientifiques ont facilité le transfert de phonons d'un qubit supraconducteur (atome artificiel) à un autre et observé l'intrication quantique (état quantique de chaque particule qui ne peut être décrit indépendamment de l'état de l'autre) des deux qubits dans un canal acoustique au cours de l'étude. Bienfait et al. a fourni une nouvelle voie pour coupler des systèmes hybrides quantiques à l'état solide utilisant des ondes acoustiques de surface comme « bonnes vibrations » dans la communication quantique pour de futures applications phononiques.

Phonons, ou plus précisément, phonons à ondes acoustiques de surface, sont proposés comme méthode pour coupler de manière cohérente des systèmes quantiques distants à l'état solide. Par exemple, les phonons individuels dans une structure résonante peuvent être contrôlés et détectés à l'aide de qubits supraconducteurs (décrits comme macroscopiques, atomes artificiels définis par lithographie) pour générer et mesurer des complexes, les états de phonons stationnaires sont cohérents. Dans le travail present, Bienfait et al. ont rapporté l'émission et la capture déterministes de phonons d'ondes acoustiques de surface itinérantes pour permettre l'intrication quantique de deux qubits supraconducteurs dans une configuration expérimentale.

Ils ont utilisé un canal de communication quantique acoustique de 2 mm de long dans les expériences, qui permettait une ligne à retard d'environ 500 nanosecondes, pour démontrer l'émission et la recapture de phonons. Les scientifiques ont observé un transfert d'état quantique entre les deux qubits supraconducteurs avec une efficacité de 67% et en utilisant un transfert partiel d'un phonon, ils ont généré une paire de Bell enchevêtrée avec une fidélité de 84 pour cent.

Les ondes électromagnétiques ont joué un rôle singulier en tant que vecteurs d'informations quantiques entre des nœuds quantiques distants pour le traitement de l'information quantique distribuée. Des expériences quantiques antérieures ont utilisé des photons micro-ondes pour démontrer la génération d'intrication déterministe et probabiliste à distance entre des qubits supraconducteurs pour atteindre des fidélités d'intrication allant de 60 à 95 %. Pour certains systèmes quantiques à l'état solide, tels que les points quantiques définis électrostatiquement ou les spins électroniques, une propriété quantique des électrons (également appelée spintronique), de fortes interactions avec le matériau hôte ont fait des vibrations acoustiques (ou phonons) une alternative supérieure aux photons candidats.

Par exemple, Les phonons à ondes acoustiques de surface (SAW) sont proposés comme support universel pour coupler des systèmes quantiques distants. Ces phonons peuvent également convertir efficacement entre les fréquences micro-ondes et optiques, reliant les qubits micro-ondes aux photons optiques. Par conséquent, de nombreuses propositions ont suivi des expériences pour montrer l'émission et la détection cohérentes de phonons SAW voyageant par un qubit supraconducteur, avec le son prenant le rôle de la lumière. Les scientifiques ont utilisé des phonons SAW mobiles pour transférer des électrons entre des points quantiques afin de transporter des électrons uniques par navette, couplés à des centres de lacunes d'azote et entraînent même des spins de carbure de silicium. Dans des travaux antérieurs, les chercheurs avaient également conçu des phonons SAW à ondes stationnaires couplés de manière cohérente à des qubits supraconducteurs pour la création à la demande, détection et contrôle des états acoustiques quantiques.

Par conséquent, Dans le travail present, Bienfait et al. utilisé des phonons SAW itinérants pour réaliser expérimentalement le transfert d'états quantiques entre deux qubits supraconducteurs. Dans la partie acoustique de l'appareil, ils ont utilisé un résonateur SAW avec un espacement miroir Fabry-Pérot efficace de 2 mm, pour générer un phonon de déplacement à un seul passage avec un temps de déplacement d'environ 0,5 microseconde (µs). Intentionnellement, le couplage entre le qubit et le mode Fabry-Pérot dans le système a permis d'injecter complètement le phonon dans le canal acoustique. Bienfait et al. puis couplé le résonateur à deux qubits supraconducteurs "Xmon" accordables en fréquence, Q1 et Q2 (où les « qubits Xmon » ont été introduits pour la première fois par Barends et al), en contrôlant électroniquement leur couplage à l'aide de deux autres coupleurs accordables, G1 et G2. Les scientifiques pourraient faire passer chaque coupleur du couplage maximal à l'arrêt en quelques nanosecondes pour isoler les qubits.

Les scientifiques ont conçu les coupleurs accordables, qubits et leurs lignes de contrôle et de lecture respectives sur un substrat de saphir tout en construisant le résonateur SAW sur un substrat de niobate de lithium séparé. Pour le résonateur SAW, ils ont utilisé deux miroirs acoustiques avec deux miroirs de Bragg (miroirs diélectriques) de chaque côté de l'ensemble émetteur-récepteur acoustique central. Pour l'émetteur acoustique, ils ont utilisé un transducteur interdigital (IDT) connecté à un port électrique commun.

Les scientifiques ont appliqué une impulsion électrique à l'IDT pour former deux impulsions SAW symétriques, qui a voyagé dans des directions opposées, se reflétant sur les miroirs pour effectuer un aller-retour en 508 nanosecondes. Bienfait et al ont contrôlé le couplage des qubits à l'IDT, pour faciliter l'émission en forme de domaine temporel de phonons en déplacement dans le résonateur. Pour caractériser l'émission dans les expériences, ils ont d'abord excité le qubit et surveillé sa population d'états excités avant de prendre en compte l'état de décroissance de l'excitation en tant que produit de l'émission de phonons.

Les scientifiques ont ensuite montré expérimentalement l'émission et la capture d'un phonon voyageant en utilisant un qubit, expérience de "ping-pong" à phonon unique utilisant le qubit Q1. Dans l'expérience, ils ont réglé le coupleur G1 au maximum tout en éteignant le coupleur G2 pour surveiller la population d'états excités (P e ) de Q1. Ils ont montré que l'émission a pris environ 150 ns, après quoi P e est resté proche de zéro pendant le transit des phonons dans la configuration expérimentale. Après environ 0,5 µs, Bienfait et al. ont pu recapturer les phonons renvoyés avec une efficacité de capture de 67 %.

Lors de transits successifs, les scientifiques ont observé une diminution géométrique de l'efficacité de capture, qu'ils attribuent aux pertes dans le canal acoustique. Ils ont ensuite effectué une tomographie de processus quantique de l'opération de libération et de capture d'un qubit en reconstruisant la matrice de processus avec le temps. La technique de tomographie par processus quantique est le schéma le plus approprié et le plus efficace pour analyser les systèmes quantiques lorsque les interactions à deux corps ne sont pas naturellement disponibles.

Après, les scientifiques ont démontré la nature interférométrique du processus d'émission et de capture de phonons à un qubit. Puisqu'il est difficile de surveiller le schéma d'intrication quantique et de superposition mécanique pendant la décohérence quantique (désintégration quantique ou perte du comportement quantique des particules), Bienfait et al ont préparé Q1 dans un état de transition pour émettre un demi-phonon et l'ont capturé à nouveau avec Q1 après un transit. Les scientifiques ont défini la capture comme l'inversion temporelle de l'émission et ont prédit que les deux demi-quanta interféreraient de manière destructive pour provoquer la réexcitation du qubit, ou de manière constructive pour son émission totale dans le dispositif expérimental.

Comme prédit, ils ont montré que lorsque le demi-phonon réfléchi interférait de manière constructive avec le demi-phonon émis stocké dans Q1 - l'énergie totale transférée au résonateur SAW, alors que l'interférence destructive a entraîné une réexcitation des qubits. Les scientifiques ont utilisé une simulation pour inclure la perte de canal et le déphasage des qubits, pour reproduire les observations expérimentales et créditer toute inadéquation de la simulation aux imperfections du système. De cette façon, Bienfait et al ont utilisé le canal de communication acoustique expérimental pour transférer des états quantiques et générer un enchevêtrement à distance entre les deux qubits.

Les chercheurs ont également démontré un échange quantique entre les deux qubits, Q1 et Q2, en utilisant la configuration. Cela était possible puisque les scientifiques pouvaient stocker séquentiellement jusqu'à trois phonons itinérants dans le résonateur SAW. Le processus avait un taux de fidélité élevé, et les scientifiques ont attribué toute déviation aux pertes acoustiques. Comme avant, ils ont utilisé le canal acoustique pour générer un enchevêtrement quantique à distance entre Q1 et Q2 pour créer un état de Bell.

De cette façon, Bienfait et al. ont montré expérimentalement des résultats clairs et convaincants pour la libération et la capture contrôlées de phonons itinérants dans un résonateur Fabry-Pérot confiné, principalement limité par les pertes acoustiques. Ils ont démontré que les processus d'émission et de capture n'étaient pas déterminés par la longueur du résonateur, les mêmes processus étaient donc applicables à un dispositif acoustique non résonant. Au total, les scientifiques ont détaillé les processus pour générer expérimentalement un enchevêtrement haute fidélité entre deux qubits. Ces résultats constitueront un pas en avant pour réaliser des protocoles de communication quantique fondamentaux avec des phonons.

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