大讚！已實現聲子介導量子態轉移和遠程量子比特糾纏！

量子信息平台是基於相互通信的量子位元，而光子(光學和微波)是選擇的載體——到目前為止，在量子位元之間傳輸量子態。然而在一些固態系統中，被稱為聲子材料本身聲學振動特性可能是有利的。在表在《科學進展》(Science Advances)期刊上的一項研究中，美國分子工程、物理和材料科學跨學科部門的b·比恩費特(B. Bienfait)及其同事描述了通過聲學通信通道對旅行(流動)聲子的確定性發射和捕獲，從而實現基於聲子的量子態相干轉移。

科學家們讓聲子從一個超導量子位元(人造原子)轉移到另一個量子位元，並在研究期間觀察了兩個量子位元在聲道中的量子糾纏(每個粒子的量子態不能獨立於另一個粒子的量子態來描述)。Bienfait等人提供了一種新的方法來耦合混合量子固態系統，該系統使用表面聲波作為量子通信中的「良好振動」，用於未來的聲子應用。聲子，或者更具體地說，表面聲波聲子，被提出作為一種相干耦合遙遠的固態量子系統的方法。例如，共振結構中的單個聲子可以用超導量子位(描述為宏觀、光刻定義的人工原子)來控制和檢測，從而產生和測量複雜、穩定的聲子狀態。

實驗裝置：(A至C)倒裝晶元組裝裝置(A)的縮微圖(A)，兩個超導量子位(Q1和Q2，藍色)連接到兩個可調諧耦合器(G1和G2，紫色)上，這兩個可調諧耦合器(B)通過兩個疊加電感(綠色)連接到一個SAW諧振器(C)上，這兩個可調諧耦合器(G1和G2，紫色)連接在藍寶石(B)上。圖片：Science

在本研究中，Bienfait等報道了確定發射和捕獲行表面聲波聲子，從而在實驗裝置中允許兩個超導量子位元的量子糾纏。他們在實驗中使用了一個2毫米長的聲學量子通信通道，這使得一條大約500納秒的延遲線能夠演示聲子的發射和重獲。科學家們以67%的效率觀察了兩個超導量子位元之間的量子態轉移，利用聲子的部分轉移，產生了一個保真度為84%的糾纏鍾對。在分散式量子信息處理中，電磁波作為遠距離量子節點間量子信息的載體發揮著獨特作用。

分子工程研究所的研究人員致力於超導量子技術。圖片：Nancy Wong

先前量子實驗使用微波光子來證明超導體量子位元之間產生的確定性和概率性遠端糾纏，以達到60%到95%的糾纏信度。對於某些固態量子系統，例如靜電定義的量子點或電子自旋，電子的量子特性(也稱為自旋電子學)，與宿主材料的強相互作用使聲振動(或聲子)成為比光子候選體更好的選擇。例如，表面聲波聲子(SAW)被認為是耦合遠程量子系統的通用介質。這些聲子還可以有效地在微波和光學頻率之間轉換，將微波量子位元與光學光子連接起來。因此，許多人在實驗之後提出了用超導量子位元來顯示行鋸聲子的相干發射和探測，而聲音則扮演光的角色。

左圖：簡化電路圖，翻轉鈮酸鋰晶元上的灰框表示元件。右圖：(A-B)詳細描述IDT和布拉格反射鏡的掃描電子顯微圖。(C)在最大耦合下測量的提取的量子位元衰減速率。衰變主要由IDT的聲子發射所控制。藍色圓圈是從指數衰減擬合中提取；紅色虛線為預測電路模型。圖片：Science

科學家們已經使用旅行鋸聲子在量子點之間轉移電子，從而使太空梭運送單個電子，將它們耦合到氮空位中心，甚至驅動碳化硅自旋。在之前的工作中，研究人員還設計了駐波聲鋸聲子相干耦合到超導量子位元，以按需創建、檢測和控制量子聲學狀態。因此，Bienfait等人在本研究中利用行波(巡迴)聲子實驗實現了兩個超導量子位元之間量子態的傳輸。在器件的聲學部分使用具有2毫米有效法布里 - 珀羅鏡面間距的SAW諧振器，以產生行程時間約為0.5微秒（μs）的單程行進聲子。

通過設計，系統中量子位元與法布里-珀羅模的耦合使聲子完全注入聲道。Bienfait等人隨後將諧振器耦合到兩個頻率可調的超導「Xmon」量子位，Q1和Q2(其中「Xmon」量子位最先由巴倫茲等人引入)，同時使用另外兩個可調耦合器G1和G2電子控制它們的耦合。科學家們可以在幾納秒內將每個耦合器從最大耦合切換到關閉，以隔離量子位元。科學家們在藍寶石襯底上設計了可調諧耦合器、量子位及其各自的控制和讀出線，同時在單獨的鈮酸鋰襯底上構建了聲表面波諧振器。對於聲表面波諧振器，他們使用了兩個聲學反射鏡。

圖示(A)校準控制脈衝(插圖)確保釋放時間對稱聲子及其有效捕獲。(B)掃過發射控制脈衝與捕獲控制脈衝之間的延遲時，測量到Q1的激發態總體，證明總體隨穿越次數呈幾何遞減(灰色線)。(C)最大效率點(B)處的量子過程層析，過程保真度F1=0.83±0.002。(I)表示恆等運算元，X、Y、Z表示泡利運算元。在(A)到(C)中，虛線表示包含有限傳輸效率和量子位缺陷的主方程模擬結果。圖片：Science

接收裝置的兩側各有兩個布拉格反射鏡(介電鏡)。對於聲發射體，他們使用一個數字間換能器(IDT)連接到一個公共的電氣埠。科學家們在IDT上施加一個電脈衝，形成兩個對稱的電鋸脈衝，它們向相反的方向運動，反射到鏡子上，在508納秒內完成一次往返。Bienfait等人控制了量子位元與IDT的耦合，方便了行聲子在諧振腔中的時域形狀發射。為了在實驗中表徵發射特性，首先對量子位元進行激發，並監測其激發態總體，然後將激發態衰減作為聲子發射的產物考慮進去。

接下來，科學家們用量子比特Q1進行了一個單聲子「乒乓」實驗，通過實驗展示了移動聲子的發射和捕獲。在實驗中將耦合器G1設置為最大，同時關閉G2耦合器來監測Q1的興奮態種群(Pe)。研究表明，在實驗裝置中，發射持續了大約150納秒，之後Pe在聲子傳輸過程中保持在接近零的水平。約0.5μs後，Bienfait等人能夠重新捕獲返回的聲子，捕獲效率為67％在連續的傳輸過程中，科學家觀察到捕獲效率的幾何下降，他們將其歸因於聲學通道內的損失。

圖示初在|e?中準備Q1，G1上控制信號釋放並隨後將半個聲子重新捕獲到諧振器。同時將一個持續變化的20MHz失諧脈衝施加到Q1，使其相位改變Δφ。（A）在時間t之後中斷序列時測量的Q1激發態群體，具有相位差Δφ= 0（正方形）或π（圓形）。插圖顯示了控制序列。（B）作為半光子和半聲子之間的相位差Δφ的函數，tf =0.65μs的Q1最終狀態Pe（t = tf）。圈子是實驗點，虛線是基於輸入 - 輸出理論模型的模擬。圖片：Science

然後通過隨時間重建過程矩陣，對單量子位元釋放捕獲操作進行了量子過程層析。當兩體相互作用不可用時，量子過程層析技術是分析量子系統最合適、最有效的方法。隨後，科學家們證明了單量子位元聲子發射和捕獲過程的干涉性質。由於量子退相干(粒子的量子衰減或量子行為的丟失)過程中量子糾纏和機械疊加方案的監測具有挑戰性，Bienfait等製備了處於過渡態的Q1發出半聲子，並在一次躍遷後用Q1再次捕獲。科學家們將捕獲定義為發射的時間反轉，並預測在實驗裝置中，這兩個半量子要麼會破壞性地干擾

導致量子比特重新激發，要麼會對其總發射產生建設性的影響。正如預測的那樣，當反射的半聲子建設性地干擾存儲在q1中的發射的半聲子時，傳輸到聲表面共振器的總能量，而破壞性干擾會導致量子位元重新激發。科學家們用一個模擬來包括信道損耗和量子比特去相位，來複制實驗觀察結果，並將模擬的任何不匹配歸因於系統的缺陷。Bienfait等利用實驗聲學通信信道傳輸量子態，在兩個量子位元之間產生遠程糾纏。研究人員還演示了Q1和Q2這兩個量子位元之間的量子交換。這是可能的，因為科學家可以順序地在聲表面波共振器中存儲最多三個移動聲子。

這個過程有很高的保真率，科學家們把任何偏差都歸因於聲音損失。和之前一樣，使用聲道在Q1和Q2之間產生遠程量子糾纏來創建鐘形態。Bienfait等人通過實驗證明，在有限的法布里-珀羅諧振腔中控制聲子的釋放和捕獲，主要受到聲學損耗的限制，其結果清晰而令人信服。他們證明了發射和捕獲過程不是由諧振器的長度決定，所以同樣的過程也適用於非諧振聲學設備。總的來說，科學家們詳細描述了在兩個量子位元之間產生高保真糾纏的實驗過程，這些結果將為實現聲子的基本量子通信協議奠定基礎。

圖示(A)通過聲道進行量子位狀態交換，控制脈衝顯示在左側。(B)聲學糾纏。| e?Q1最初控制信號應用於G1釋放一半的聲子頻道。在(A)和(B),圓形和方形Q1和Q2激發態種群同時測量時間t。(C和D)預期值重建two-qubit保利運營商(C)的貝爾狀態密度矩陣(D)在t = 0.65μs。在(C)和(D),實線表示值的預期理想貝爾狀態|Ψ?=(|如? |通用?)/ 2 -√。在(A)到(D)中，虛線是包含有限傳輸效率和量子位缺陷的模擬結果。圖片：Science

博科園-科學科普｜copyright Science X Network/Thamarasee Jeewandara/Phys

參考期刊文獻:《科學》,《科學進展》,《物理評論快報》,《自然》

DOI: 10.1126/science.aaw8415

DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.220502

DOI: 10.1038/s41586-018-0719-5

DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7

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