Des chercheurs ont récemment mis en évidence l'interaction des qubits supraconducteurs; l'unité de base de l'information quantique, avec des résonateurs à ondes acoustiques de surface ; un équivalent d'onde de surface du résonateur à cristal, en physique quantique. Ce phénomène ouvre un nouveau champ de recherche, définie comme l'acoustodynamique quantique pour permettre le développement de nouveaux types de dispositifs quantiques. Le principal défi de cette entreprise est de fabriquer des résonateurs acoustiques dans la gamme des gigahertz. Dans un nouveau rapport maintenant publié le La nature Physique des communications , Aleksey N. Bolgar et une équipe de physiciens en Systèmes Quantiques Artificiels et Physique, en Russie et au Royaume-Uni, a détaillé la structure d'un dispositif acoustodynamique hybride considérablement simplifié en remplaçant un résonateur acoustique par un cristal phononique ou un métamatériau acoustique.

Le cristal contenait d'étroites rayures métalliques sur une surface de quartz et cet atome artificiel ou objet métallique interagissait à son tour avec une ligne de transmission micro-ondes. En ingénierie, une ligne de transmission est un connecteur qui transmet l'énergie d'un point à un autre. Les scientifiques ont utilisé le montage pour coupler deux degrés de liberté de nature différente, c'est-à-dire acoustique et électromagnétique, avec un seul objet quantique. En utilisant un spectre de diffusion d'ondes électromagnétiques se propageant sur l'atome artificiel, ils ont visualisé les modes acoustiques du cristal phononique. La géométrie de l'appareil leur a permis de réaliser les effets de l'acoustique quantique sur un système simple et compact.

Systèmes quantiques supraconducteurs

Les systèmes quantiques supraconducteurs sont prometteurs pour les technologies quantiques en informatique quantique et sont fondamentaux pour les nouvelles directions de recherche en optique quantique et en atomes artificiels. Ces systèmes peuvent facilement atteindre un régime de couplage fort même avec des éléments de circuits macroscopiques. Plusieurs groupes de recherche avaient réalisé l'acoustodynamique quantique (QAD) en utilisant des atomes artificiels, où les ondes électromagnétiques peuvent être remplacées par des versions acoustiques et les photons par des phonons. Dans ce travail, Bolgar et al. a étudié un circuit hybride où un qubit supraconducteur était fortement couplé simultanément à deux systèmes de nature différente :acoustique et électromagnétique, avec un cristal phononique et une ligne de transmission unidimensionnelle (1-D) d'ondes électromagnétiques.

Un élément clé des expériences QAD comprend un résonateur mécanique, qui peut être soit un résonateur en vrac, soit un résonateur à ondes acoustiques de surface (SAW) qui joue un rôle similaire à celui d'une cavité en électrodynamique quantique (QED). Les éléments acoustiques peuvent être rendus compacts en raison de leur longueur d'onde, qui est typiquement de cinq ordres de grandeur plus courte que celle des ondes électromagnétiques. Les physiciens avaient mené des expériences pionnières avec des résonateurs acoustiques en vrac couplés à des qubits supraconducteurs. Cependant, l'intégration de tels résonateurs en vrac avec l'électronique n'est pas simple. Dans cette configuration expérimentale, Bolgar et al. employait un qubit pour jouer le rôle du système intermédiaire en reliant les systèmes acoustique et électromagnétique. Les chercheurs ont utilisé un seul long cristal phononique pour l'acoustique de l'appareil afin de fournir à la configuration un avantage technique significatif.

La disposition de l'appareil

L'équipe a développé le dispositif sur un substrat piézoélectrique de quartz stable. L'appareil contenait un qubit de type transmon, couplé capacitivement à une ligne de transmission hyperfréquence. En informatique quantique supraconductrice, un transmon est un type de qubit de charge supraconducteur conçu pour une sensibilité réduite au bruit de charge. Le dispositif contenait un transducteur interdigital (IDT) avec des électrodes équidistantes sous la forme de bandes métalliques. La capacité IDT était proportionnelle au nombre de paires d'électrodes. Les électrodes capacitives étaient connectées à une boucle de dispositif d'interférence quantique supraconductrice (SQUID) ; un détecteur sensible de flux et de champ magnétique, utilisé pour régler les énergies des qubits. La structure périodique des bandes métalliques dans l'installation a formé un cristal phononique (ou métamatériau acoustique), où chaque bande agissait comme une masse supplémentaire sur la surface du quartz. La vitesse de groupe des ondes était beaucoup plus petite que la vitesse du son dans la configuration, permettant aux ondes d'être efficacement confinées dans l'appareil.

Le transducteur interdigital (IDT) utilisé dans la configuration, ondes acoustiques de surface générées (SAW) se propageant dans le sens longitudinal. Contrairement aux résonateurs, les ondes n'étaient pas réfléchies aux limites mais s'échappaient librement et, par conséquent, les modes autorisés dans le système étaient quasi-normaux, c'est-à-dire des oscillations amorties. L'équipe a ensuite décrit l'hamiltonien du système hybride (une fonction représentant l'énergie totale d'un système). Dans le système expérimental, l'atome artificiel couplé à un cristal phononique a interagi avec l'onde électromagnétique dans la ligne de transmission et l'équipe a décrit la dynamique des ondes diffusées sur l'atome artificiel, qu'ils ont mesuré par spectroscopie de transmission. Le travail contenait des informations sur l'interaction de l'atome avec les modes phononiques.

Les résultats expérimentaux

Les conditions expérimentales ont permis aux fluctuations thermiques de l'installation d'être bien inférieures à l'énergie des phonons acoustiques de surface, qui sont dans la gamme de fréquences gigahertz. Les chercheurs ont détecté l'interaction atome-onde, comme un changement de phase et d'amplitude du signal transmis proche de la fréquence de résonance qubit. Ils ont amplifié le signal transmis à l'aide d'amplificateurs cryogéniques et à température ambiante et ont collecté les résultats sous divers champs magnétiques pour trouver la division d'énergie du qubit. Les résultats des séparations de raies spectrales ont démontré l'interaction entre le qubit et quatre modes quasi-normaux (QNM) du cristal phononique à quatre fréquences différentes. Les facteurs de haute qualité (également appelés facteurs Q) utilisés dans l'expérience ont augmenté avec l'augmentation des rayures métalliques, où Q plus élevé indiquait une dispersion plus lente des oscillations. Cette observation a également été étayée par des simulations.

L'impact plus large sur l'acoustique quantique

De cette façon, Aleksey N. Bolgar et ses collègues ont démontré expérimentalement l'interaction entre un qubit et un cristal phononique à onde acoustique de surface (SAW), formé via une structure métallique périodique sur la surface d'un matériau de quartz. L'équipe a trouvé les modes du cristal phononique dans le circuit en caractérisant la diffusion des ondes électrodynamiques sur un atome artificiel à deux niveaux fortement couplé au cristal. Ils ont montré l'interaction de l'atome avec quatre modes quasi-normaux du cristal. La géométrie du dispositif conçu était simple et robuste et est plus compacte que les configurations volumineuses existantes. Les résultats de ce travail contribueront à développer des dispositifs adaptés à l'acoustique quantique fondamentale.

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