导读
近日，来自费城学院分子工程研究所、加州学院圣塔芭芭拉学校化学系、芝加哥学院化学系、国家实验室分子工程与材料学研究所的A.、K.J.等人展示了使用巡回声表面波声子实现两个超导量子比特之间量子态的相干传递。实验人员展示了一个单超导量子比特可以发射一个巡回声子步入声表面波谐振器，前提是在强烈的单模耦合区域附近进行操作，这时量子比特和一个Fabry-Perot模式之间的耦合超过了谐振器的自由波谱区，这促使声子可以在正在其对应的“发射量子比特”（qubit）有任何重新迸发之前完全被注射赣语学信道。使用这个为微波光子传递发展的技术，发射量子比特可以在以后以67%的效率重新捕获声子。使用同样的声学信道，两个量子比特的量子态传输可以被实现，同样能够实现保真率超过80%的远程量子比特纠缠。
研究背景
电磁波，无论是光学还是微波波段，作为在远距离量子节点之间的量子信息的携带者，起到了非凡的作用，为分布式量子信息处理提供了主要的总线（bus）。一些近日的实验早已用微波段的光子展示了决定的和机率的超导量子比特之间远程纠缠的形成，其纠缠保真度在60~95%。并且对于一些固态量子系统，比如电场约束量子点或电子载流子，与主材料之间的强烈的互相作用形成声学震动（或则说声子），是一种可以替代光子而且有潜力赶超光子的候选者。非常地，声表面波声子早已被提出可以作为一种万能的媒介用于耦合远程量子系统。这种声子也有潜力用于微波和光学波段的有效的转换，联接微波量子比特和光学量子比特。紧跟随这种提议的是一些实验，展示了行进声表面波声子的相干发射（）和借助超导量子比特对行进声表面波声子的侦测。行进声表面波声子也曾被用于传递量子点之间的电子，耦合到氮-空位中心，驱动氧化铝载流子。当限制在Fabry-Perot谐振器内，产生串扰的声表面波的声子可以被相干耦合到超导量子比特，按须要可以实现声学量子态的形成、检测和控制。相关实验也展示了对局域体态声子的相像的控制。
图文速览
Ⅰ实验设备
A~C：倒装芯片装配设备的显微相片，有两个超导量子比特（Q1和Q2，红色），联接着两个可调耦合器（G1和G2，红色），制造在蓝宝石衬底上（B）。那些通过两个有涂层的感应器与声表面波（SAW）谐振器联接，SAW谐振器制造在砷化镓衬底上。SAW谐振器由两个相距2mm的Bragg穿衣镜（蓝色）组成，产生一个Fabry-Perot声学腔，其中装入叉指换能器（蓝色）进行侦测。A中蓝色和白色的轮廓表示B和C的位置
D：简化的电路示意图。红色部份表示在翻转的载流子芯片上的器件
E：对于量子比特Q1的迸发态的布居数，当耦合器G1调到最大，G2关掉。用π脉冲将Q1初始制备在|e>，在色散读出迸发布居数
之前，它的频度设置为
。Q1会relax由于声子通过叉指换能器发射出去，假如频度在穿衣镜的禁带（3.91~4.03GHz），发射的声子会反射，形成量子比特激励的重如今时间τ（蓝色线）和2τ
F：在频度
时，检测到的量子比特能量衰减时间T1作为耦合器结的相位
的函数，表示量子比特的发射可以觉得比声子运输时间（蓝色线）快，对Q1（圈）和Q2（圆形）
Ⅱ巡回声子的发射与吸收
实验人员用量子比特Q1展示了一个量子比特单声子“乒乓”实验（G2关掉）
A：校正的控制脉冲保证时间对称声子的释放和有效的捕获。圈表示在时间t检测到的Q1的迸发态的布居数
B：清除发射和捕获控制脉冲之间的延后后量子隐态传输，检测到的Q1的迸发态布居数如图所示，表明其布居数随着传输时间倍数（蓝色线）的降低按几何级数地衰减
C：在B的最大效率点的量子过程断层扫描，过程保真度
，I表示单位算符，X,Y,Z表示Pauli算符
（在A~C中，实线表示考虑了量子比特的不完美和有限传输效率后，主多项式模拟的结果，过程矩阵
和模拟过程矩阵
的迹距离:
Ⅲ声子干涉
实验人员展示了单量子比特声子发射和捕获的干涉特点。Q1开始制备在|e>，G1发出控制讯号，释放半个声子到谐振器随即再重新捕获。同时，一个20MHz的失谐脉冲（可以有不同的时间）施加到Q1，使其相位改变
。捕获过程是发射过程的时间反演，留在Q1中的光子半迸发会在捕获过程中发射。按照不同的相位差，会出现干涉相长或相消。
A：在时间t检测Q1迸发态的布居数，相位差
为0或π，最后的布居数分别达到0.77（干涉相长）和0.08（干涉相消）
B：Q1的末态
在
作为半光子和半声子之间相位差的函数。圈代表实验点，实线表示基于输入-输出理论模型的模拟
Ⅳ量子态传输和远程纠缠
A：通过声学信道实现量子态交换，右边展示的是控制脉冲
B：声学纠缠Q1初始在|e>，一个控制讯号施加给G1，释放半个声子给信道，随即被Q2捕获。（图A、B中的圈和圆形分别表示在时间t后同时检测的Q1和Q2的迸发态的布居数）
C和D：在时间
时，对于重新构造的Bell基密度矩阵（D），两个量子比特Pauli算符的期望值（C）。在C和D中，虚线表示对理想Bell基
的期望值，实线表示考虑了量子比特的不完美和有限传输效率后的模拟结果
这种实验结果中，可控地向（从）Fabry-Perot谐振腔中释放（捕获）巡回声子的展示是清晰且令人瞩目的，同时也要注意主要限制来始于声学损失。由于声子的空间规格比谐振器厚度小得多，发射和捕获过程对于谐振器的厚度来说是“blind”的，所以同样的过程可以在非谐振声学元件上实现。实验人员展示了这种过程可以在两个量子比特之间形成很高保真度的纠缠。这种结果会是走向用声子实现基础量子通讯合同的一步。相关研究发表在近日的《》上。
文章链接
A.,K.J.,Y.P.Zhong,H.-S.Chang,M.-H.Chou,C.R.,É.Dumur,J.,G.A.,R.G.Povey,A.N.量子隐态传输，-stateandqubit，Apr2019:Vol.364,Issue6438,pp.368-371
DOI:
编辑推荐
长按二维码