導讀
近日，來自費城學院分子工程研究所、加州學院圣塔芭芭拉學校化學系、芝加哥學院化學系、國家實驗室分子工程與材料學研究所的A.、K.J.等人展示了使用巡回聲表面波聲子實現(xiàn)兩個超導量子比特之間量子態(tài)的相干傳遞。實驗人員展示了一個單超導量子比特可以發(fā)射一個巡回聲子步入聲表面波諧振器，前提是在強烈的單模耦合區(qū)域附近進行操作，這時量子比特和一個Fabry-Perot模式之間的耦合超過了諧振器的自由波譜區(qū)，這促使聲子可以在正在其對應的“發(fā)射量子比特”（qubit）有任何重新迸發(fā)之前完全被注射贛語學信道。使用這個為微波光子傳遞發(fā)展的技術(shù)，發(fā)射量子比特可以在以后以67%的效率重新捕獲聲子。使用同樣的聲學信道，兩個量子比特的量子態(tài)傳輸可以被實現(xiàn)，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)保真率超過80%的遠程量子比特糾纏。
研究背景
電磁波，無論是光學還是微波波段，作為在遠距離量子節(jié)點之間的量子信息的攜帶者，起到了非凡的作用，為分布式量子信息處理提供了主要的總線（bus）。一些近日的實驗早已用微波段的光子展示了決定的和機率的超導量子比特之間遠程糾纏的形成，其糾纏保真度在60~95%。并且對于一些固態(tài)量子系統(tǒng)，比如電場約束量子點或電子載流子，與主材料之間的強烈的互相作用形成聲學震動（或則說聲子），是一種可以替代光子而且有潛力趕超光子的候選者。非常地，聲表面波聲子早已被提出可以作為一種萬能的媒介用于耦合遠程量子系統(tǒng)。這種聲子也有潛力用于微波和光學波段的有效的轉(zhuǎn)換，聯(lián)接微波量子比特和光學量子比特。緊跟隨這種提議的是一些實驗，展示了行進聲表面波聲子的相干發(fā)射（）和借助超導量子比特對行進聲表面波聲子的偵測。行進聲表面波聲子也曾被用于傳遞量子點之間的電子，耦合到氮-空位中心，驅(qū)動氧化鋁載流子。當限制在Fabry-Perot諧振器內(nèi)，產(chǎn)生串擾的聲表面波的聲子可以被相干耦合到超導量子比特，按須要可以實現(xiàn)聲學量子態(tài)的形成、檢測和控制。相關(guān)實驗也展示了對局域體態(tài)聲子的相像的控制。
圖文速覽
Ⅰ實驗設(shè)備
A~C：倒裝芯片裝配設(shè)備的顯微相片，有兩個超導量子比特（Q1和Q2，紅色），聯(lián)接著兩個可調(diào)耦合器（G1和G2，紅色），制造在藍寶石襯底上（B）。那些通過兩個有涂層的感應器與聲表面波（SAW）諧振器聯(lián)接，SAW諧振器制造在砷化鎵襯底上。SAW諧振器由兩個相距2mm的Bragg穿衣鏡（藍色）組成，產(chǎn)生一個Fabry-Perot聲學腔，其中裝入叉指換能器（藍色）進行偵測。A中藍色和白色的輪廓表示B和C的位置
D：簡化的電路示意圖。紅色部份表示在翻轉(zhuǎn)的載流子芯片上的器件
E：對于量子比特Q1的迸發(fā)態(tài)的布居數(shù)，當耦合器G1調(diào)到最大，G2關(guān)掉。用π脈沖將Q1初始制備在|e>，在色散讀出迸發(fā)布居數(shù)
之前，它的頻度設(shè)置為
。Q1會relax由于聲子通過叉指換能器發(fā)射出去，假如頻度在穿衣鏡的禁帶（3.91~4.03GHz），發(fā)射的聲子會反射，形成量子比特激勵的重如今時間τ（藍色線）和2τ
F：在頻度
時，檢測到的量子比特能量衰減時間T1作為耦合器結(jié)的相位
的函數(shù)，表示量子比特的發(fā)射可以覺得比聲子運輸時間（藍色線）快，對Q1（圈）和Q2（圓形）
Ⅱ巡回聲子的發(fā)射與吸收
實驗人員用量子比特Q1展示了一個量子比特單聲子“乒乓”實驗（G2關(guān)掉）
A：校正的控制脈沖保證時間對稱聲子的釋放和有效的捕獲。圈表示在時間t檢測到的Q1的迸發(fā)態(tài)的布居數(shù)
B：清除發(fā)射和捕獲控制脈沖之間的延后后量子隱態(tài)傳輸，檢測到的Q1的迸發(fā)態(tài)布居數(shù)如圖所示，表明其布居數(shù)隨著傳輸時間倍數(shù)（藍色線）的降低按幾何級數(shù)地衰減
C：在B的最大效率點的量子過程斷層掃描，過程保真度
，I表示單位算符，X,Y,Z表示Pauli算符
（在A~C中，實線表示考慮了量子比特的不完美和有限傳輸效率后，主多項式模擬的結(jié)果，過程矩陣
和模擬過程矩陣
的跡距離:
Ⅲ聲子干涉
實驗人員展示了單量子比特聲子發(fā)射和捕獲的干涉特點。Q1開始制備在|e>，G1發(fā)出控制訊號，釋放半個聲子到諧振器隨即再重新捕獲。同時，一個20MHz的失諧脈沖（可以有不同的時間）施加到Q1，使其相位改變
。捕獲過程是發(fā)射過程的時間反演，留在Q1中的光子半迸發(fā)會在捕獲過程中發(fā)射。按照不同的相位差，會出現(xiàn)干涉相長或相消。
A：在時間t檢測Q1迸發(fā)態(tài)的布居數(shù)，相位差
為0或π，最后的布居數(shù)分別達到0.77（干涉相長）和0.08（干涉相消）
B：Q1的末態(tài)
在
作為半光子和半聲子之間相位差的函數(shù)。圈代表實驗點，實線表示基于輸入-輸出理論模型的模擬
Ⅳ量子態(tài)傳輸和遠程糾纏
A：通過聲學信道實現(xiàn)量子態(tài)交換，右邊展示的是控制脈沖
B：聲學糾纏Q1初始在|e>，一個控制訊號施加給G1，釋放半個聲子給信道，隨即被Q2捕獲。（圖A、B中的圈和圓形分別表示在時間t后同時檢測的Q1和Q2的迸發(fā)態(tài)的布居數(shù)）
C和D：在時間
時，對于重新構(gòu)造的Bell基密度矩陣（D），兩個量子比特Pauli算符的期望值（C）。在C和D中，虛線表示對理想Bell基
的期望值，實線表示考慮了量子比特的不完美和有限傳輸效率后的模擬結(jié)果
這種實驗結(jié)果中，可控地向（從）Fabry-Perot諧振腔中釋放（捕獲）巡回聲子的展示是清晰且令人矚目的，同時也要注意主要限制來始于聲學損失。由于聲子的空間規(guī)格比諧振器厚度小得多，發(fā)射和捕獲過程對于諧振器的厚度來說是“blind”的，所以同樣的過程可以在非諧振聲學元件上實現(xiàn)。實驗人員展示了這種過程可以在兩個量子比特之間形成很高保真度的糾纏。這種結(jié)果會是走向用聲子實現(xiàn)基礎(chǔ)量子通訊合同的一步。相關(guān)研究發(fā)表在近日的《》上。
文章鏈接
A.,K.J.,Y.P.Zhong,H.-S.Chang,M.-H.Chou,C.R.,é.Dumur,J.,G.A.,R.G.Povey,A.N.量子隱態(tài)傳輸，-stateandqubit，Apr2019:Vol.364,Issue6438,pp.368-371
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