15、基于表面声波的通用量子换能器

基于表面声波的通用量子换能器

1. 引言

实现远程量子比特之间的长距离相互作用是开发可扩展的固态自旋量子信息处理器面临的重大挑战之一。一种解决方法是让量子比特与一个公共量子总线相连接，该总线能在远距离的量子比特之间分配量子信息。在电路量子电动力学领域，空间分离的超导量子比特通过限制在传输线腔中的微波光子相互作用，已成功实现了多个量子比特在毫米级距离上的耦合。

近年来，随着纳米机械系统制造和操纵技术的显著进步，另一种研究方向开始探索通过机械谐振器介导的单个量子比特之间的相干长距离相互作用，其中谐振声子扮演着腔光子的角色。

这里提出一种基于表面声波（SAW）的新型量子换能器和数据总线。SAW是一种局限于固体表面的类似声子的激发，广泛应用于现代电子设备，如紧凑型微波滤波器。受近期两项探索SAW相干量子特性的实验启发，我们将压电活性材料中的SAW声子模式作为远程量子比特之间长距离耦合的通用媒介进行研究。

1.1 量子比特与SAW的相互作用

量子比特与由高Q值谐振器定义的局域SAW声子模式相互作用，该模式又可与作为量子总线的SAW波导弱耦合。单个节点的哈密顿量可以采用通用的Jaynes - Cummings形式：
[H_{node} = \frac{\omega_q}{2} \sigma_z + \omega_c a^{\dagger}a + g (\sigma_+ a + \sigma_- a^{\dagger})]
其中，(\vec{\sigma})是描述量子比特的泡利矩阵，其跃迁频率为(\omega_q)；(a)是频率为(\omega_c/2\pi \sim GHz)的局域SAW腔模式的玻色算符。量子比特与声腔模式之间的