The Signal
Un transmon collega due guide d’onda superconduttrici
Ricercatori del Leibniz Institute of Photonic Technology hanno dimostrato un transmon superconduttore che media il trasferimento di fotoni a microonde tra due guide d’onda separate. Testato a 10 millikelvin, il dispositivo ha funzionato con
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un fotone, due guide d’onda
Con un ingresso medio di circa un fotone a microonde, un singolo transmon può mediare la trasmissione tra due guide d’onda superconduttrici separate nello spazio. L’esperimento è stato condotto a 10 millikelvin, con il segnale a una frequenza prossima a 6 gigahertz, secondo uno studio pubblicato il 29 ottobre su npj Quantum Information. Il gruppo descrive il dispositivo come una cella di base per un router quantistico a microonde: un componente a quattro porte in cui un fotone può attraversare la guida d’onda originale o passare nell’altra.
«Riportiamo la prima realizzazione sperimentale e la caratterizzazione completa di un sistema costituito da due guide d’onda superconduttrici separate nello spazio e accoppiate tramite un singolo qubit transmon», scrivono Evgeniya Mutsenik, Aidar Sultanov e i loro coautori.
Il lavoro è stato condotto da ricercatori del Leibniz Institute of Photonic Technology di Jena, in Germania. Anziché collegare due processori quantistici, il dispositivo mette alla prova un elemento costitutivo più piccolo: un atomo artificiale che si accoppia a entrambe le linee aperte a microonde e può scambiare fotoni con ciascuna di esse. Questa configurazione offre ai ricercatori un modo per studiare come un emettitore quantistico controlli i segnali che si propagano attraverso canali separati.
Quattro percorsi attraverso un transmon
Le due guide d’onda creano quattro percorsi di trasmissione: due canali «diretti», che trasportano un segnale lungo la stessa guida, e due canali «incrociati», che lo trasportano da una guida all’altra. Alla frequenza di transizione del transmon, circa 6,163 gigahertz nel dispositivo descritto, i ricercatori hanno osservato un calo nella trasmissione diretta e un picco in quella incrociata. Attribuiscono il segnale incrociato ai fotoni riemessi nelle guide d’onda dopo aver interagito con il transmon.
Il gruppo ha fabbricato su silicio il transmon in alluminio e le guide d’onda complanari. Le guide d’onda distano tra loro almeno 68 micrometri; l’isolamento misurato era di circa −20 decibel. I ricercatori hanno inoltre adattato un modello alle quattro risposte di trasmissione per ricavare tassi di accoppiamento guida d’onda–qubit pari a 2π × 1,82 megahertz e 2π × 2,31 megahertz.
Le misure nel dominio del tempo hanno rilevato per il qubit un tempo di rilassamento dell’energia, T1, di 20,5 ± 2 nanosecondi. Gli autori stimano che l’accoppiamento alle due guide d’onda sia responsabile della maggior parte di quel decadimento. In questo dispositivo, il breve tempo di vita è parte della stessa interazione che consente al transmon di mediare il trasferimento di fotoni; l’esperimento è uno studio dell’accoppiamento, non una dimostrazione di un qubit di memoria a lunga vita.
La coerenza determina i limiti operativi
Il trasferimento dipende dal mantenimento della coerenza del transmon. Quando i ricercatori hanno allontanato la sua polarizzazione di flusso magnetico dal punto in cui il qubit è meno sensibile alle fluttuazioni esterne, la loro metrica di trasferimento è scesa a circa 0,5. Anche le misure di temperatura indicano lo sfasamento come uno dei principali fattori che limitano le prestazioni.
Anche il numero di fotoni è importante. Il dispositivo si è comportato come previsto con livelli di ingresso inferiori a circa 10 fotoni, ma segnali più forti hanno saturato i canali incrociati mediati dal transmon: la trasmissione diretta si è avvicinata all’unità, mentre quella incrociata è scesa verso lo zero. Il qubit non è riuscito a elaborare un flusso crescente di fotoni come se ciascuno incontrasse un mediatore non saturo.
Che cosa dimostrano le misure
Il risultato dimostra sperimentalmente che un transmon può accoppiare due guide d’onda superconduttrici separate e consentire la trasmissione di microonde da una guida all’altra con un basso numero di fotoni. Gli autori hanno confrontato le misure in regime stazionario con i test nel dominio del tempo, riscontrando che erano coerenti con un modello basato su un’Hamiltoniana non hermitiana. Segnalano inoltre una discrepanza tra le due ampiezze misurate della trasmissione incrociata alla risonanza; il loro modello non la spiega e gli autori indicano come possibili cause riflessioni, disadattamenti di impedenza o perdite interne.
Questa precisazione è importante per interpretare il dispositivo come un router. Lo studio caratterizza una cella di base e la sua risposta in condizioni di laboratorio controllate; non dimostra una rete a più nodi né l’instradamento tra processori quantistici. Il trasferimento misurato è sensibile alla polarizzazione di flusso, alla temperatura e all’intensità del segnale, mentre l’asimmetria tra i canali incrociati resta inspiegata.