[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于硅纳米机械腔的芯片量子系统，利用可调谐受主（空穴）杂质态实现对单个声子及声子-声子相互作用的相干控制，作为腔量子电动力学（cavity-QED）的固态类比，但使用声学声子而非光子。该系统实现了长寿命声子态与可分辨的声子读出，使可扩展的量子声子学成为可能，并与其它纳米机械元件兼容。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、芯片集成的平台，用于对声子进行量子控制，其原理类似于腔量子电动力学（cavity-QED），但使用声学声子而非光子。
• 通过在固态系统中引入可调谐、长寿命的物质非线性，解决对单个声量子（声子）缺乏稳健工具箱的问题。
• 通过在硅纳米机械腔中工程化受主杂质态，实现对声子及声子-声子相互作用的相干操控。
• 实现对量子比特态的非简并声子读出，促进测量并实现与其他量子组件的集成。
• 确保与现有纳米机械和光机械系统（如声子-光子转换器）的兼容性，以构建混合量子系统。

提出的方法

• 利用硅纳米机械腔以高Q因子限制并局域声学声子。
• 在硅中工程化受主（空穴）杂质态，使其作为与局域声子强耦合的可调谐物质量子比特。
• 利用受主量子比特与声子模式之间的强耦合，实现基于声子的腔-QED类比，称为“量子声动学”（quantum phonodynamics）。
• 利用受主态的非线性特性，介导声子-声子相互作用，实现对单个声子的相干控制。
• 采用非简并测量技术，通过声子散射读出量子比特态，同时保持相干性。
• 设计系统以实现与其他纳米机械和光机械组件（包括声子-光子转换器）的集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅纳米机械腔中的受主杂质态能否作为可调谐、长寿命的物质量子比特，用于相干声子控制？
• RQ2 能否通过固态平台中工程化的杂质态，在实验上实现对声子-声子相互作用的相干介导？
• RQ3 在芯片集成系统中，能否以高保真度实现对量子比特态的非简并声子读出？
• RQ4 如何使基于声子的量子系统与现有纳米机械和光机械组件兼容？
• RQ5 该系统能否作为使用声子而非光子的可扩展固态腔-QED类比？

主要发现

• 硅纳米机械腔中的受主杂质态表现出长相干时间与可调谐性，能够实现与局域声子的稳定耦合。
• 实现了受主量子比特与声子模式之间的强耦合，从而实现对单个声子的相干控制。
• 通过受主态的非线性响应，成功介导了声子-声子相互作用，满足了量子声子学的关键需求。
• 实现了对量子比特态的非简并声子读出，可在不破坏声子态的前提下完成测量。
• 该系统与其它纳米机械和光机械组件（如声子-光子转换器）兼容，支持构建混合量子系统。
• 该平台提供了一种可扩展的芯片级架构，用于量子声子学，显著拓展了基于声波的量子器件的工具箱。