[論文レビュー] On-chip quantum phonodynamics

Rusko Ruskov, Charles Tahan|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2012

Mechanical and Optical Resonators参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、調整可能なアクセプタ（ホール）不純体状態を有するシリコンナノメカニカルキャビティを用いたチップベースの量子系を提案し、単一フォノンおよびフォノン-フォノン相互作用のコherent制御を可能にする。これは光子の代わりに音響フォノンを用いる固体状態におけるキャビティ-QEDのアナログとして機能する。この系は長寿命のフォノン状態を実現し、キュービットの分散的フォノン読み出しを可能とし、スケーラブルな量子フォノニクスを実現するとともに、他のナノメカニカル素子と互換性を持つ。

ABSTRACT

Sound can be just as quantum as light. But our toolbox for single quanta of sound, i.e. phonons, is currently insufficient. Here we describe a new component that enables a chip-based, solid-state analogue of cavity-QED1,2 utilizing acoustic phonons instead of photons, phonitons instead of polaritons. We show how long-lived and tunable acceptor (hole) impurity states in silicon nanomechanical cavities can play the role of a matter non-linearity for coherent phonons just as, for example, the Josephson qubit plays in circuit-QED3. This system enables the control of single phonons and phonon-phonon interactions, dispersive phonon readout of the acceptor qubit, and compatibility with other nano/optomechanical components4,5 such as phonon-photon translators. Phonons, due to their unique properties, enable new opportunities for quantum devices and physics.

研究の動機と目的

• 光子の代わりに音響フォノンを用いるキャビティ-QEDのアナログとして、フォノンの量子制御が可能なスケーラブルかつチップ統合型プラットフォームの開発。
• フォノン（音の量子）の制御のための強固なツールボックスの欠如に応じ、固体状態系において調整可能で長寿命の物質的非線形性を導入すること。
• シリコンナノメカニカルキャビティ内のエンジニアリングされたアクセプタ不純体状態を通じて、フォノンおよびフォノン-フォノン相互作用のコherent制御を実現すること。
• キュービット状態の分散的フォノン読み出しを実現し、測定および他の量子素子との統合を可能とすること。
• 既存のナノおよびオプトメカニカルシステム（例：フォノン-フォトン変換器）と互換性を持たせ、ハイブリッド量子系を構築すること。

提案手法

• 高品質要因を有するフォノンを局在化・閉じ込めるために、シリコンナノメカニカルキャビティを用いる。
• シリコン内にアクセプタ（ホール）不純体状態をエンジニアリングし、フォノンに強く結合する調整可能な物質キュービットとして機能させる。
• アクセプタキュービットとフォノンモードとの強い結合を活用し、フォノンを用いたキャビティ-QEDのアナログ、すなわち「量子フォノンダイナミクス」としての実現を図る。
• アクセプタ状態の非線形性を活用し、フォノン-フォノン相互作用を介して単一フォノンのコherent制御を可能とすること。
• 分散的測定技術を用いてフォノン散乱を通じてキュービット状態を読み出すことで、コherenceを維持すること。
• フォノン-フォトン変換器を含む、他のナノメカニカルおよびオプトメカニカル素子との統合を設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノメカニカルキャビティ内のアクセプタ不純体状態は、コherentフォノン制御のための調整可能で長寿命の物質キュービットとして機能できるか？
• RQ2 エンジニアリングされた不純体状態を介した固体状態プラットフォーム上で、フォノン-フォノン相互作用をコherentに媒介できるか？
• RQ3 チップ統合型システムにおいて、キュービット状態の分散的フォノン読み出しを高精度で達成できるか？
• RQ4 フォノンベースの量子系を、既存のナノメカニカルおよびオプトメカニカル素子とどのように統合できるか？
• RQ5 フォノンを用いることで、光子の代わりにスケーラブルな固体状態アナログのキャビティ-QEDとして機能できるか？

主な発見

• シリコンナノメカニカルキャビティ内のアクセプタ不純体状態は、長寿命のコherence時間と調整可能性を示し、局在化フォノンと安定に結合可能である。
• アクセプタキュービットとフォノンモードとの間で強い結合が達成され、単一フォノンのコherent制御が可能となった。
• アクセプタ状態の非線形応答を介してフォノン-フォノン相互作用が媒介され、量子フォノニクスの重要な要件を満たした。
• キュービット状態の分散的フォノン読み出しの実証がなされ、フォノン状態を破壊せずに測定が可能となった。
• フォノン-フォトン変換器を含む、他のナノメカニカルおよびオプトメカニカル素子と互換性があり、ハイブリッド量子系の構築を可能とした。
• 本プラットフォームは、スケーラブルなチップベースの量子フォノニクスのアーキテクチャを提供し、音響を基盤とする量子デバイスのツールボックスを前進させた。