Объемный акустический волновой резонатор на алмазе для акустического орбитального управления.
Кредит: PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030336

Достижения в области квантовой информационной технологии требуют поиска новых способов управления электронами и другими микроскопическими частицами. В статье под названием «Когерентный акустический контроль дефектных орбитальных состояний в пределе сильного движения» Грегори Фукс, профессор прикладной и инженерной физики, и его постдокторант Брендан Маккаллиан совместно с Эрихом Мюллером, профессором физики в Колледже искусств и наук, и его докторантом Вайбхавом Шармой спроектировали обстановку, в которой звуковые волны могут управлять «квантовыми скачками» между электронными орбитами.

Маккаллиан построил микроскопический динамик на поверхности алмазного чипа, который работал на частоте, которая точно соответствовала электронному переходу. Используя методы, аналогичные тем, которые применяются в магнитно-резонансной томографии, он смог продемонстрировать когерентный контроль одного электрона внутри алмазного чипа.

Кубиты — квантовый аналог битов, обнаруженных в классическом компьютере — должны оставаться когерентными или находиться в стабильном состоянии, чтобы делать что-то полезное. Эта когерентность очень хрупкая и легко теряется из-за флуктуаций окружающей среды, например, когда близлежащий электрон прыгает из одного места в другое. В течение многих лет ученые увеличивали время когерентности кубитов, используя технику, называемую спиновым резонансом, которая использует микроволны и магнитные поля для изменения поведения электронов. Фукс и его группа попытались распространить эту технику на акустическую область и улучшить когерентность орбиталей.

«Мы акустически управляли орбитальными состояниями способом, который несколько аналогичен спиновому резонансу, а затем использовали устоявшийся набор инструментов методов спинового резонанса для исследования когерентности этого орбитального состояния», — сказал Фукс. «Нам было очень интересно, что мы можем сделать орбитальную версию спинового резонанса: взять те инструменты, которые мы знаем из спинового резонанса, например, когерентный контроль и осцилляции Раби, и с помощью акустического резонатора в пару гигагерц отобразить это на орбитальные состояния и увидеть, что эти методы по-прежнему применимы».

Работа Фукса помогает углубить знания о центре азотной вакансии (NV) — дефекте в решетках кристаллов алмаза, который является важным кубитом для сенсоров и квантовых сетей, а также помогает разрабатывать новые инструменты для борьбы с флуктуациями окружающей среды, приводящими к спектральной диффузии, которая может вызывать серьезные проблемы в приложениях квантовых сетей, основанных на устойчивом оптическом переходе, где частота каждого испускаемого фотона одинакова.

«Исследуя, как NV-центр взаимодействует с этими источниками шума, и находя способы изменить это взаимодействие с помощью инструментов, которые мы обычно резервируем для спинов, мы выяснили, как заставить его работать с орбитальными состояниями. Это важное дополнение к науке», — сказал Фукс. «Этот проект также был примером того, как должно работать сотрудничество между командами. Экспериментальные методы были разработаны в моей лаборатории, но затем мы сотрудничали с группой на кафедре физики, которая предоставила теоретический анализ и помогла нам сформулировать наши прогнозы и понимание результатов».

«Это было чрезвычайно полезное сотрудничество», — сказал Мюллер. «Акустические волны возбуждали электроны посредством механизма, похожего на то, как «качают» на качелях на детской площадке. Когда вибрации синхронизированы с движением электронов, они могут передавать им энергию. Поистине удивительно, что можно управлять движением электронов с помощью того, что по сути является громкоговорителем».