DOI: https://doi.org/10.1103/1bk5-zgvj
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42172384
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: Andraz Omahen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الرنانات الميكانيكية والبصرية
نظرة عامة
في هذا القسم، يؤكد المؤلفون على أهمية تهيئة الأوضاع الميكانيكية في الحالة الأساسية الكمومية للتطبيقات في المعلومات الكمومية والاستشعار. يبرزون أن الشوائب في الحالة الأولية يمكن أن تؤدي إلى عدم الوفاء في الخوارزميات الكمومية وزيادة الضوضاء في أجهزة الاستشعار الكمومية، مما يمكن أن يحجب اكتشاف الأحداث النادرة. تقدم الدراسة قياسات لتوزيعات الحالة المثارة في أوضاع تردد جيجاهرتز لمذبذب الموجات الصوتية الكثيفة (HBAR)، كاشفة أن عدد السكان في الحالة المثارة الأولى يمكن أن يكون منخفضًا مثل \( P_1 = (1.2 \pm 5.5) \times 10^{-5} \)، مما يتوافق مع درجة حرارة فعالة تبلغ 25.2 مللي كلفن. تمثل هذه النتائج حدودًا عليا تتأثر بعيوب القياس وتتنافس مع أدنى عدد سكان تم ملاحظته في الدوائر الفائقة التوصيل.
علاوة على ذلك، يستخدم المؤلفون التوزيعات المقاسة لفرض قيود على ظواهر فيزيائية متنوعة، بما في ذلك سعة موجات الجاذبية عالية التردد، وقوة الخلط الحركي للمادة المظلمة فائقة الخفة، والتعديلات غير الخطية على معادلة شرودنجر المتعلقة بآليات انهيار دالة الموجة. يضع هذا العمل HBARs كأداة واعدة لكل من تهيئة الحالة الكمومية والتحقيقات في الفيزياء الأساسية.
طرق
في هذه الدراسة، يستخدم المؤلفون نظامًا هجينًا يتكون من مذبذب صوتي عالي التردد (HBAR) مرتبط بكيوبيت ترانسمون فائق التوصيل للتحقيق في وجود إشارات خارجية ضعيفة ومتجانسة، مثل موجات الجاذبية عالية التردد أو تفاعلات المادة المظلمة. يتكون الإعداد التجريبي من شريحتين من الياقوت، مع HBAR على الشريحة العليا وكيوبيت الترانسمون على الشريحة السفلى، متصلتين عبر محول بيزوالكتروني AlN. يعمل النظام عند 10 مللي كلفن لتقليل الضوضاء الحرارية، ويسمح الربط بالتلاعب وقياس أوضاع الفونون، المميزة بهاميلتونيان جينز-كامينغز مع مصطلح دفع خارجي.
يتضمن بروتوكول القياس تبريد الكيوبيت وأداء عمليات iSWAP لنقل عدد سكان أوضاع الفونون إلى الحالة المثارة للكيوبيت. يتم استكشاف عدد السكان في الحالة المثارة لأوضاع الفونون من خلال تذبذبات رابي، مع رسم حالة الكيوبيت إلى الحالة الأساسية لتعزيز دقة القراءة. يعرف المؤلفون تباين الإشارة، \( A_{\text{sig}} \)، على أنه الفرق في استجابة الكيوبيت بين سعتين للدفع، ويتم إجراء قياس مرجعي لتحديد عدد سكان الحالة الأساسية، \( A_{\text{ref}} \). يتم استخراج عدد سكان الفونون باستخدام الصيغة \( P_p = \frac{A_{\text{sig}}}{A_{\text{sig}} + A_{\text{ref}}} \). لضمان الدقة، يتم متوسط القياسات على ملايين التكرارات، مع إعادة معايرة دورية لأخذ الانحرافات المحتملة في المعلمات التجريبية في الاعتبار.
مناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون عدد السكان في الحالة المثارة لكيوبيت وأوضاع الفونون المرتبطة به ضمن نظام cQAD (جهاز صوتي كمومي متماسك). يذكرون أن عدد السكان في الحالة المثارة للكيوبيت، $P_q$، يتغير مع التردد، حيث يصل إلى $P_q = 1.5 \times 10^{-3}$ عند الترددات العالية ويزداد ليصل تقريبًا إلى $P_q = 10^{-2}$ عند الترددات المنخفضة بسبب تأثيرات دفع AC-Stark-shift الأقوى. يتم أيضًا تمييز عدد سكان أربعة أوضاع فونون، كاشفة عن قيم تتراوح بين $P_{405}^p = (1.8 \pm 4.1) \times 10^{-5}$ و $P_{403}^p = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-4}$، مما يشير إلى أن هذه الأوضاع أبرد بكثير من الكيوبيت. ينسب المؤلفون التغيرات في القياسات إلى التغييرات في الإعداد التجريبي ومعلمات الجهاز، مؤكدين على الاستقرار على المدى الطويل لديناميات السكان التي تم تحقيقها من خلال إعادة المعايرة المتكررة.
تمتد تداعيات هذه النتائج إلى الفيزياء الأساسية، حيث يقترح المؤلفون استخدام جهازهم كجهاز استشعار لموجات الجاذبية عالية التردد (GWs) وتفاعلات المادة المظلمة. يستنتجون حدودًا عليا على سعة موجات الجاذبية، مستنتجين أنه لا توجد موجات جاذبية متجانسة بسعات أكبر من $h_0 = 5.5 \times 10^{-18}$ في نطاق جيجاهرتز. بالمثل، يحسبون حدودًا على معلمات اقتران الفوتون المظلم، مستبعدين القيم الأكبر من $\kappa = 4.4 \times 10^{-9}$ لبعض المواد البيزوالكترونية. يبرز المؤلفون أن نتائجهم تمثل أدنى عدد سكان في الحالة المثارة تم الإبلاغ عنه لأنظمة كمومية في نطاق ميغاهرتز إلى جيجاهرتز، مما يضع جهازهم كمنصة واعدة لمعالجة المعلومات الكمومية والتبريد النشط لأنظمة كمومية أخرى. يتم اقتراح تحسينات مستقبلية لتحسين الحساسية وتوسيع نطاق التردد للجهاز، مما قد يعالج الأسئلة غير المحلولة في التفاعل بين الجاذبية والميكانيكا الكمومية.
القيود
في هذا القسم، يناقش المؤلفون القيود التي واجهوها في قياس عدد سكان أوضاع الفونون، والتي تعزى أساسًا إلى الأخطاء الناجمة عن البروتوكول التجريبي. تم تحديد عاملين رئيسيين: الترميم الحراري للكيوبيت إلى حمامه الحراري، المميز بعمر الكيوبيت $T_1$ ودرجة حرارة الحمام الفعالة $T_{\text{qb,bath}}$، ووقت تدهور الكيوبيت $T_{\phi}$. يلاحظ المؤلفون وجود ارتباط حيث تتوافق أوقات حياة الكيوبيت الأطول وأوقات التماسك مع عدد سكان فونون أقل مقاسة، بينما تميل زيادة عدد سكان الكيوبيت إلى تقييد عدد سكان أوضاع الفونون. تتماشى هذه النتائج مع العوامل المحددة المعروفة.
لتحليل هذه التأثيرات بشكل كمي، يستخدم المؤلفون محاكاة معادلة رئيسية لنمذجة تفاعل جينز-كامينغز بين كيوبيت فائق التوصيل ثلاثي المستويات ومذبذب ميكانيكي أحادي الوضع. تكشف المحاكاة أن عدد سكان الفونون المقاس مقيد بشكل أساسي بواسطة ترميم الكيوبيت إلى حمامه ومن خلال تدهور الكيوبيت. يقترح المؤلفون أن تقليل درجة حرارة الحمام الفعالة يمكن تحقيقه من خلال تقليل مصادر التسخين الخارجية، مثل الإشعاع تحت الأحمر المتناثر والفوتونات الحرارية المتبقية، من خلال تحسين الحماية الكهرومغناطيسية والتثبيت الحراري. كما يلاحظون أنه بينما تزيد عوامل أخرى، مثل تدهور مستوى ef وأخطاء iSWAP بين الفونون والكيوبيت، بشكل طفيف من عدد سكان الفونون المقاس، إلا أنها أقل أهمية مقارنة بتأثيرات الترميم والتدهور. بشكل عام، يتماشى استقرار خصائص الكيوبيت والفونون على مر الزمن مع الأدبيات الحالية، مما يشير إلى ظروف تجريبية موثوقة.
DOI: https://doi.org/10.1103/1bk5-zgvj
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42172384
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): Andraz Omahen et al.
Primary Topic: Mechanical and Optical Resonators
Overview
In this section, the authors emphasize the importance of initializing mechanical modes in the quantum ground state for applications in quantum information and sensing. They highlight that impurities in the initial state can lead to infidelity in quantum algorithms and increased noise in quantum sensors, which can obscure rare event detection. The study presents measurements of excited-state populations in GHz-frequency modes of a high-overtone bulk acoustic wave resonator (HBAR), revealing that the population of the first excited state can be as low as \( P_1 = (1.2 \pm 5.5) \times 10^{-5} \), corresponding to an effective temperature of 25.2 mK. These findings represent upper bounds influenced by measurement imperfections and are competitive with the lowest populations observed in superconducting circuits.
Furthermore, the authors utilize the measured populations to impose constraints on various physical phenomena, including the amplitude of high-frequency gravitational waves, the kinetic mixing strength of ultra-light dark matter, and non-linear modifications to the Schrödinger equation related to wavefunction collapse mechanisms. This work positions HBARs as a promising tool for both quantum state initialization and investigations into fundamental physics.
Methods
In this study, the authors utilize a hybrid system comprising a high-frequency acoustic resonator (HBAR) coupled to a superconducting transmon qubit to investigate the presence of weak, resonant external signals, such as high-frequency gravitational waves or dark matter interactions. The experimental setup consists of two sapphire chips, with the HBAR on the upper chip and the transmon qubit on the lower chip, connected via a piezoelectric AlN transducer. The system operates at 10 mK to minimize thermal noise, and the coupling allows for the manipulation and measurement of phonon modes, characterized by a Jaynes-Cummings Hamiltonian with an external drive term.
The measurement protocol involves cooling the qubit and performing iSWAP operations to transfer the population of the phonon modes to the qubit’s excited state. The excited-state population of the phonon modes is then probed through Rabi oscillations, with the qubit state mapped to the ground state to enhance readout fidelity. The authors define the signal contrast, \( A_{\text{sig}} \), as the difference in qubit response between two drive amplitudes, and a reference measurement is conducted to determine the ground state population, \( A_{\text{ref}} \). The phonon population is extracted using the formula \( P_p = \frac{A_{\text{sig}}}{A_{\text{sig}} + A_{\text{ref}}} \). To ensure accuracy, measurements are averaged over millions of repetitions, with periodic recalibrations to account for potential drifts in the experimental parameters.
Discussion
In this section, the authors investigate the excited-state populations of a qubit and its associated phonon modes within a cQAD (coherent quantum acoustic device) system. They report that the qubit’s excited-state population, $P_q$, varies with frequency, reaching $P_q = 1.5 \times 10^{-3}$ at higher frequencies and increasing to approximately $P_q = 10^{-2}$ at lower frequencies due to stronger AC-Stark-shift drive effects. The populations of four phonon modes are also characterized, revealing values between $P_{405}^p = (1.8 \pm 4.1) \times 10^{-5}$ and $P_{403}^p = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-4}$, indicating that these modes are significantly colder than the qubit. The authors attribute variations in measurements to changes in the experimental setup and device parameters, emphasizing the long-term stability of population dynamics achieved through repeated recalibrations.
The implications of these findings extend to fundamental physics, where the authors propose using their device as a sensor for high-frequency gravitational waves (GWs) and dark matter interactions. They derive upper bounds on the amplitude of gravitational waves, concluding that no resonant GWs with amplitudes larger than $h_0 = 5.5 \times 10^{-18}$ exist in the GHz range. Similarly, they calculate bounds on dark photon coupling parameters, ruling out values larger than $\kappa = 4.4 \times 10^{-9}$ for certain piezoelectric materials. The authors highlight that their results represent the lowest excited-state populations reported for quantum systems in the MHz to GHz range, positioning their device as a promising platform for quantum information processing and active cooling of other quantum systems. Future enhancements are suggested to improve sensitivity and broaden the frequency range of the device, potentially addressing unresolved questions in the interplay between gravity and quantum mechanics.
Limitations
In this section, the authors discuss the limitations encountered in measuring phonon mode populations, primarily attributed to errors arising from the experimental protocol. Two key factors are identified: the thermalization of the qubit to its thermal bath, characterized by the qubit lifetime $T_1$ and the effective bath temperature $T_{\text{qb,bath}}$, and the qubit dephasing time $T_{\phi}$. The authors observe a correlation where higher qubit lifetimes and coherence times correspond to lower measured phonon populations, while increased qubit populations tend to restrict phonon mode populations. These findings align with the identified limiting factors.
To quantitatively analyze these effects, the authors employ master equation simulations modeling a Jaynes-Cummings interaction between a three-level superconducting qubit and a single-mode mechanical resonator. The simulations reveal that the measured phonon population is primarily constrained by the qubit’s thermalization to its bath and by qubit dephasing. The authors suggest that reducing the effective bath temperature can be achieved by minimizing external heating sources, such as stray infrared radiation and residual thermal photons, through improved electromagnetic shielding and thermal anchoring. They also note that while other factors, such as ef-level decay and phonon-qubit iSWAP infidelities, marginally increase the measured phonon population, they are less significant compared to the thermalization and dephasing effects. Overall, the stability of the qubit and phonon properties over time is consistent with existing literature, indicating reliable experimental conditions.