作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 该设备
设备示意图
人造原子同时与电磁和声学系统耦合
微波光子激发人造原子(量子位)
原子依次产生声子进入声子晶体
样品的示意图
电磁波通过共面传输线传播，并与人造原子相互作用
量子位分流电容由Np = 140个相同的电极对(金属条)组成
相应的机械衬底表面振荡由颜色梯度示出
样品的显微照片
图中显示了声子晶体和超导量子干涉仪的薄结构
学分:通信物理，doi: 10
1038/s 22005-020-00475-2 研究人员最近展示了超导量子位的相互作用；量子信息的基本单位，带有表面声波谐振器；量子物理学中晶体谐振器的表面波等效物
这一现象开辟了一个新的研究领域，被定义为量子声动力学，以允许开发新型的量子器件
这项事业的主要挑战是制造千兆赫范围的声学谐振器
在一份发表在《自然通讯物理学》上的新报告中
博尔加和一组人工量子系统和物理学的物理学家，在俄罗斯和美国
K
，详细介绍了通过用声子晶体或声学超材料代替声学谐振器而显著简化的混合声学动态器件的结构
晶体在石英表面上有狭窄的金属条纹，这种人造原子或金属物体又与微波传输线相互作用
在工程学中，传输线是将能量从一点传递到另一点的连接器
科学家们用这种装置来连接两个不同性质的自由度
e
声音和电磁，只有一个量子物体
利用人造原子上传播电磁波的散射光谱，他们可视化了声子晶体的声学模式
该装置的几何形状使他们能够在一个简单而紧凑的系统中实现量子声学的效果
超导量子系统 超导量子系统是量子信息学中很有前途的量子技术，是量子光学和人工原子新研究方向的基础
这些系统甚至可以容易地实现到宏观电路元件的强耦合机制
几个研究小组利用人工原子实现了量子声动力学(QAD)，其中电磁波可以被声学版本取代，光子可以被声子取代
在这项工作中，博尔加等人
研究了一个混合电路，其中一个超导量子位被同时强耦合到两个不同性质的系统:声学和电磁学，一个声子晶体和一个一维电磁波传输线
散射光谱学
传输振幅的实验曲线(蓝色)，以量子位跃迁频率为中心
它由洛伦兹曲线(红色曲线)拟合
量子位能谱
绿色垂直线表示测量图(a)数据的部分
绿色虚线矩形代表在子图(c)上更详细显示的谱线分裂区域
证明量子位与声子晶体的四种准正常模式在四种频率下相互作用的谱线分裂
从系统模拟中获得的模拟透射相位颜色图
它再现了(c)所示的实验性反交叉
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1038/s 22005-020-00475-2 QAD实验中的一个关键要素包括一个机械谐振器，它可以是体谐振器，也可以是表面声波谐振器，在量子电动力学(QED)中起到类似空腔的作用
声学元件由于其波长可以做得很紧凑，该波长通常比电磁波的波长短五个数量级
物理学家用耦合到超导量子位的体声波谐振器进行了开创性的实验
然而，将这种体谐振器与电子器件集成并不简单
在这个实验装置中，博尔加等人
通过连接声学和电磁系统，使用一个量子位来扮演中间系统的角色
研究人员使用单个长声子晶体作为该装置的声学元件，为该装置提供了显著的技术优势
设备的布局 该团队在稳定的石英压电基板上开发了这种装置
该装置包含一个传输型量子位，电容耦合到微波传输线
在超导量子计算中，transmon是一种超导电荷量子位，设计用于降低对电荷噪声的敏感度
该装置包含一个叉指换能器(IDT)，具有金属条形式的等间距电极
IDT电容与电极对的数量成正比
电容电极连接到超导量子干涉装置(SQUID)回路；一种灵敏的磁通量和磁场探测器——用于调谐量子位能量
该装置中金属条的周期性结构形成了声子晶体(或声学超材料)，其中每个条充当石英表面上的附加质量
波的群速度比装置中的声速小得多，允许波被有效地限制在装置中
对照样品的光谱
四个量子位被设计成具有三个不同的声子晶体周期:a1 ≈ 1
1微米，a2 ≈ 1
0微米，a3 = a4 ≈ 0
95微米
其中三个量子位证明了它们在预测频率约为2
8千兆赫(交流1)，3
1千兆赫(交流2)，和3
3千兆赫(交流3)
第四个量子位光谱低于它的机械模式频率，因此，它没有反交叉
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1038/s 22005-020-00475-2 耦合到准正常模式的二能级系统 该装置中使用的叉指换能器(IDT)产生沿纵向传播的表面声波
与谐振器相反，波在边界不被反射，而是自由泄漏出去，结果，系统中允许的模式是准正常的，即
e
阻尼振荡
该团队然后描述了混合系统的哈密顿量(一个代表系统总能量的函数)
在实验系统中，耦合到声子晶体的人造原子与传输线中的电磁波相互作用，研究小组描述了人造原子上散射波的动态s，他们使用透射光谱学来测量
这项工作包含了原子与声子模式相互作用的信息
准正规模的计算参数
(一)声子色散曲线(红色)靠近第一布里渊边缘的行为
准正常模式用蓝色点表示
洋红色箭头表示实验观察到的频率
接近带隙(白色矩形)的一组量子阱的质量因子和耦合强度常数
准正常模式用蓝点表示
橙色点对应于f0，3模式
插图中显示了在单独实验中测量的从同一几何声子晶体反射的信号的实验振幅
三个骤降对应于模式F2，1 = 3的激励
248 GHz，f0，1 = 3
264 GHz和f0，3 = 3
283千兆赫，具有最高的耦合强度
从这些倾角的宽度中提取的实验品质因数为Q 2，1 = 380，Q0，1 = 1050，Q0，3 = 950，与(b)中所示的计算值非常一致
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1038/s 22005-020-00475-2 实验结果 实验条件允许装置的热波动远低于表面声学声子的能量，其在千兆赫频率范围内
研究人员检测到原子-波相互作用，这是一种相位和振幅的变化，传输信号接近量子位共振频率
他们使用低温和室温放大器放大传输的信号，并在各种磁场下收集结果，以找到量子位的能量分裂
谱线分裂的结果证明了量子比特与声子晶体的四种准正常模式在四种不同频率下的相互作用
实验中使用的高品质因数(也称为品质因数)随着金属条纹的增加而增加，其中较高的品质因数表示振荡的分散较慢
这一观察也通过模拟得到了支持
准正规模的场分布
准正常模式f0，1(蓝色)和f1，1(绿色)的场Re (Ai(x))的空间相关性
插图显示了与叉指换能器(IDT)电极相关的场细节
蓝色和绿色表示电极极性相反
复数电势振幅的实部(5列)和虚部(6列)的颜色图，计算为几种不同模式的电极对上的场差
7列的图显示了声波中的能量分布
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1038/s 22005-020-00475-2 对量子声学更广泛的影响 就这样，阿列克谢·N
博尔加和他的同事通过实验证明了量子位和表面声波(SAW)声子晶体之间的相互作用，这种声子晶体是通过石英材料表面的周期性金属结构形成的
研究小组通过描述电动力波在与晶体强耦合的两能级人造原子上的散射，发现了电路中声子晶体的模式
他们展示了原子与晶体的四种准正常模式的相互作用
工程设备的几何形状简单而坚固，比现有的庞大设置更加紧凑
这项工作的成果将有助于开发适用于基本量子声学的器件
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