Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работы первого года реализации проекта по теме «Новые физические подходы к квантовой информатике и квантовой оптике со сверхпроводниковыми системами» связаны с решением задач, направленных на разработку: первых рабочих образцов ПАВ – элементов для квантовой акустодинамики. (резонаторы, фононные кристаллы; различные типы встречно-штыревых преобразователей; волноводы); принципиальной схемы связывания сверхпроводящих квантовых систем с фононными модами; новых оптимизированных геометрий кубитов на основе когерентной динамики магнитного потока (потоковые кубиты с двойной петлёй, потоковые кубиты с большой кинетической индуктивностью – RF-СКВИДы); принципиальной схемы перестраивомого по требованию однофотонного источника, основанного на новых оптимизированных кубитах с большой ангармоничностью. Получены следующие научные результаты: 1) Отработана схема изготовления резонаторов и встречно – штыревых преобразователей для ПАВ с рабочими частотами более 3 ГГц. 2) Отработана схема изготовления фононного кристалла на поверхностных акустических волнах. 3) Предложена принципиальная технологическая схема изготовления гибридной системы, состоящей из сверхпроводящего кубита и акустического фононного кристалла на ПАВ. 4) Изготовлен и изучен образец фононного кристалла на поверхностных акустических волнах с фундаментальными модами гигагерцового диапазона частот. 5) Исследована классическая динамика системы, состоящей из последовательно соединенных джозефсоновских контактов в режиме квантового проскальзывания фазы, индуктивности большой величины и активного сопротивления. 6) Показано, что в широком диапазоне приложенных напряжений классические уравнения движения допускают два типа решений: стационарное (постоянный ток пропорциональный напряжению) и нестационарное (переменный ток с нулевым средним). То или иное решение реализуется в зависимости от начальных условий. 7) Изучена роль тепловых флуктуаций, которые приводят к переключению между двумя найденными режимами и возникновению сложной вольт-амперной характеристики. 8) Обнаружение бистабильности классической динамики рассматриваемой системы существенно меняет представления о физических принципах функционирования кубитов на основе джозефсоновских контактов с высокой кинетической индуктивностью Работы выполнялись при тесном взаимодействии с китайскими исследователями, по результатам которого написана совместная статья «Quantum versus classical regime in circuit quantum acoustodynamics» , принятая к публикации в высокорейтинговый журнал New Journal of Physics (Q1) Опубликованы статьи: [1]. A.Yu. Dmitriev and O.V. Astafiev. The perspective on superconducting flux qubits. Appl. Phys. Lett. 119, 080501 (2021) [Q1] IF = 3.791 [2]. Fedorov G.P., Remizov S.V., Shapiro D.S., Pogosov W.V., Egorova E., Tsitsilin I., Andronik M., Dobronosova A.A., Rodionov I.A., Astafiev O.V., Ustinov A.V. Photon Transport in a Bose-Hubbard Chain of Superconducting Artificial Atoms Phys. Rev. Lett. 126, 180503 (2021) [Q1] IF = 9.161

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
I. Результаты измерений, демонстрирующие связь между потоковым кубитом и фононными модами Был продемонстрирован ряд новых результатов, представляющих значительный научный интерес. Впервые был изготовлен потоковый кубит связанный с акустической системой (рис. 1.1, 1.2). Впервые достигнута физически сильная связь потокового кубита с акустической системой (рис. 1.3, 1.4). На сегодняшний день была экспериментально продемонстрирована только связь зарядового кубита с аккустическими модами резонатора на поверхностных волнах. Экспериментальные результаты прямой спектроскопии показаны на рис. 1.2-1.4. Научная новизна результата состоит в том, что показана возможность связать незарядовый кубит с акустическими поверхностными волнами через осцилляции потенциала. акая схема имеет дополнительные сложности в реализации. Во-первых, кубит ещё дополнительно связан с копланарной линией. Вопрос состоял в том возможно ли достичь сильной связи через электрический потенциал на кубите, состояния которого определяются циркулирующим током. Шунтирующую ёмкость встречно-штыревого преобразователя удалось уменьшить за счёт связи к фнонному кристаллу, ограниченному по перпендикулярному направлению. Работа открывает большие возможности по реализации различных эффектов из квантовой оптики на фононных системах, а также для квантовых вычислений благодаря большому ангармонизму потоковых кубитов. II. Образец гибридного кубита с высокой кинетической индуктивностью Спроектированы чипы с кубитами большой кинетической индуктивностью (RF-сквиды), основанные на высокооднородных тонких пленках алюминия. Изготовлены образцы кубитов с высокой кинетической индуктивностью. Послойный чертёж образца изображён на рис. 2.2. Фотография гибридного образца с джозефсоновским переходом и кинетической индуктивностью показаны на рис. 2.3. Образец (чип на кремниевой подложке) в держателе показан на рис. 2.4. Продемонстрирована работа гибридного кубита. Показаны спектры кубита на рис. 2.6. Продемонстрированы квантовые осцилляции на гибридном кубите. Результаты измерений показаны на рисунках 2.6 и 2.7. Сложность и новизна работы в том, чтобы, во-первых, изготовить компактную индуктивность большой номинальной величины и, во-вторых, связать её с джозевсоновскими переходами. При этом требовалось не ухудшить времена когрентности системы. Для реализации схемы были разработаны специальные технологические решения. Работа открывает возможности реализации кубитов для фундаментальных эффектов на искусственных квантовых системах и для квантовых вычислений. III. Принципиальная схема потокового кубита с пи-контактами Разработана принципиальная схема с двумя сверхпроводящими петельками с инкорпорированным пи-контактом. Выполнены послойные чертежи схемы. Чертежи схемы представлены на рисунках 3.1, 3.2 и 4.1 IV. Образец с охарактеризованными пи-контактами. Изготовлен образец потокового кубита с двумя петлями и пи-контактом, связанный с копланарной линией. РЭМ изображение образца представлены на рис. 4.2. Изготовлены и охарактеризованы пи-контакты в образце. Характеризация магнитных контактов производилась путем исследования тестовых образцов, изготовленных в тех же технологических условиях и в таком же технологическом процессе. Наблюдение Фраунгоферовой формы кривой с периодом около 10 Э позволяет сделать вывод об однородном распределении критической плотности тока по площади тестового образца и рассчитать критическую плотность тока, разделив максимальный критический ток на площадь контакта (рис. 4.3). Проведенные измерения показали критическую плотность тока пи-контактов на уровне 3.5 кА/см2 при температуре жидкого гелия, что в пределах экспериментальной точности совпадает ранее полученными результатами.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году нами были получены следующие научные результаты: 1. Продемонстрирован эффект квантовой оптики на трехуровневой квантовой системе, в котором фотон преобразуется в фонон через контролируемые возбуждения в контролируемой трехуровневой квантовой системе. Трехуровневая система выполнена в геометрии потокового кубита и её энергии контролируются внешним магнитным полем. Такой искусственный атом связан с одной стороны с электромагнитным излучением, а с другой с акустической системой в виде фононного кристалла на поверхностных волнах (системы из периодической структуры электродов на поверхности кварца) (см. рис. 1). Связь такой системы с акустическим резонатором не была реализована до сих пор. С помощью такой системы мы показали преобразование электромагнитного излучения в акустическую волну посредствам фотонов в фононы через возбуждения трехуровневого искусственного атома. Такая схема позволяет реализовывать более сложные эксперименту по контролю одиночных фононов. 2. Продемонстрирована работа потокового кубита со встроенным пи-контактом. Проведена прямая спектроскопия потокового кубита со встроенным в петлю кубита пи-контактом на основе SFS структуры из Nb-CuNi-Nb. Кубиты с пи-контактом измерялись в криостате растворения при базовой температуре. Спектроскопия осуществляется по рассеянию слабого электромагнитного излучения на переходах квантовой системы в резонансе. Результаты измерения в виде спектроскопических линий в широком диапазоне частот излучения и магнитных полей снимались при различных мощностях и затем обрабатывались и аппроксимировались расчетами. Были показаны характерные кривые линий нижнего перехода между основным и первым возбужденным состояниями. Было впрямую обнаружено различное поведение кубитов без SFS и с SFS контактами (рис. 4). Продемонстрирован сдвиг минимума кубита в нулевое магнитное поле. Были также промерены различные характеристики квантовой системы. 3. Продемонстрирована работа потокового кубита с кинетической индуктивностью на тонкой пленке алюминия. Рабочий образец потокового кубита изготовлен на основе геометрии, разработанной на предыдущем этапе. В модифицированной схеме были оптимизированы параметры, изменена геометрия – добавлен дополнительный джозефсоновский переход, подкорректированы энергии (джозефсоновские, зарядовые, индуктивные) (рис. 6(с)). С учетом новых данных, были проведены необходимые симуляции параметров кубитов, подкорректированы их частоты, силы связи, а также отрегулированы резонансные частоты и изготовлен послойный чертеж. Далее, используя методы нанотехнологии, которые были усовершенствованы на предыдущих этапах, был создан образец. Образец был охарактеризован с помощью оптического электронного микроскопа. После изготовления образец помещался в криостат растворения для проведения необходимых измерений. Измерения спектров рабочего образца проведены путем измерения прохождения электромагнитной волны через систему с интегрированным кубитом. Анализ спектров позволил точно извлечь параметры кубитов, включая их энергии и времена когерентности, определяемые через ширину пиков, а также с помощью измерений временной области. Большие времена когерентности (до 20 мкс) показывают перспективность нашего подхода. Таким образом, поставленная задача по демонстрации оптимизированного кубита была спешно выполнена. 4. Потоковый кубит с оптимизированной геометрией интегрирован с акустической системой. На основе полученных результатов измерения потокового кубита, интегрированного с электромагнитной линией и акустической системой в виде фононного кристалла, была разработана новая схема с сильно измененными параметрами. Мы провели работы по моделированию устройства, варьируя параметры так, чтобы его результаты воспроизводили результаты эксперимента как можно точнее. Таким образом были установлены действительные параметры нашей системы. В результате моделирования мы также обнаружили, что в текущей геометрии нам не удается сделать систему с достаточным ангармонизмом, а также такими матричными элементами в трехуровневой системе, чтобы, например, реализовать лазерный эффект из-за большой шунтирующей емкости. Мы провели моделирование, варьируя параметры (например, шунтирующую емкость) и нашли диапазон подходящих параметров. Следующим шагом было проектирование устройства с уменьшенной шунтирующей емкостью. Были приготовлены чертежи устройства. Затем изготавливался образец методами нано-технологии, отработанными в предыдущих этапах (рис. 10). Образец был загружен в криостат растворения и прошел первичную характеризацию, которая показала его работоспособность.