Quantum lydbølger til at åbne døre for mere kraftfulde sensorer

For det sidste årti, forskere har gjort store spring i deres evne til at bygge og kontrollere systemer baseret på de bizarre regler for kvantemekanik, som beskriver partiklers adfærd i den subatomære skala.

Men en udfordring er at få delikate kvantesystemer til at spille godt med mekaniske - alt med bevægelige dele - som ligger til grund for meget eksisterende teknologi.

I det første, forskere ved Institute for Molecular Engineering ved University of Chicago og Argonne National Laboratory har bygget et mekanisk system - et lille "ekkokammer" til lydbølger - der kan kontrolleres på kvantenniveau, ved at forbinde den med kvantekredsløb. Udgivet 21. november i Natur , gennembruddet kunne udvide kvanteteknologiens rækkevidde til nye kvantesensorer, kommunikation og hukommelse.

"At få disse to teknologier til at tale med hinanden er et vigtigt første skridt for alle former for kvanteprogrammer, "sagde hovedstudieforfatter Andrew Cleland, John A. MacLean Sr.Professor for Molecular Engineering Innovation and Enterprise og en seniorforsker ved Argonne National Laboratory. "Med denne tilgang, vi har opnået kvantekontrol over et mekanisk system på et niveau langt ud over det, der er gjort før. "

I særdeleshed, Cleland sagde, der har været stor interesse for at integrere kvante- og mekaniske systemer for at lave utrolig præcise kvantesensorer, der kunne detektere de mindste vibrationer eller interagere med individuelle atomer.

"Mange teknikker til at opdage ting er afhængige af sansningskraft og forskydninger - hvilket betyder bevægelse, "sagde han." Disse sensorer spiller en grundlæggende rolle i enhver form for applikation, hvor du prøver at måle noget. Og mekaniske systemer er de letteste at bygge og de mest følsomme, så der har længe været en interesse i at få dem til kvantegrænsen. "(Mekaniske sensorer, for eksempel, er kernen i de systemer, der registrerer tyngdekraftsbølger-krusninger i rumtidens stof, der tillod os at "se" sorte huller, der kolliderer over universet.)

Clelands forskning fokuserer delvist på kvanteelektriske kredsløb, og han ville tilslutte et af disse kredsløb til en enhed, der genererer overfladeakustiske bølger - små lydbølger, der løber langs overfladen af ​​en blok af fast materiale, som krusninger, der bevæger sig hen over overfladen af ​​en dam. Dette fænomen spiller en central rolle i dagligdags enheder som mobiltelefoner, garageportåbnere og radiomodtagere.

Et vigtigt gennembrud var at bygge de to systemer separat, på forskellige slags materialer, og derefter forbinde dem sammen. Dette gjorde det muligt for teamet at optimere hver komponent og alligevel stadig kommunikere med hinanden. Begge skal holdes meget, meget koldt - kun ti tusindedele af en grad over det absolutte nul.

Forskere er begejstrede, fordi det giver dem en platform til at eksperimentere med lyd på kvante -niveau.

"Dette særlige resultat åbner døren for at kunne gøre mange ting med lyd, som du allerede kan gøre med lys, "Sagde Cleland." Lyd bevæger sig 100, 000 gange langsommere end lys, hvilket giver dig mere tid til at gøre tingene. For eksempel, hvis du gemmer kvanteinformation i en hukommelse, det kan vare meget længere gemt i lyd end i lys. "

Der er en række fundamentale ubesvarede spørgsmål om, hvordan lydbølger opfører sig i kvanteområdet, han sagde, og dette system kunne give forskere en platform til at tage fat på dem.

Teknikken kunne også pege vejen mod en kvante "oversætter", der ville tillade kvantekommunikation over enhver afstand. De elektroniske atomer, Clelands gruppe arbejder med, kan kun fungere og kommunikere ved meget lave temperaturer; kvanteakustik kunne tillade disse kredsløb at konvertere kvanteinformation til optiske signaler, der derefter kunne kommunikeres over store afstande ved stuetemperatur. Det er muligt, at en akustisk-bølge-opsætning kunne danne grundlag for et sådant system, kendt som en kvante -repeater, Sagde Cleland.

Den første forfatter var Kevin Satzinger, Ph.D.'18, nu med Google. Medforfattere på papiret omfattede Assoc. Prof. David Schuster og prof. David Awschalom, samt postdoktorale forskere Audrey Bienfait og Etienne Dumur; kandidatstuderende Youpeng Zhong, Hung-Shen Chang, Greg Peairs, Ming-Han Chou, Joel Grebel, Rhys Povey og Sam Whiteley; og kandidater Ben November og Ivan Gutierrez (begge AB'18).

En separat undersøgelse i samme udgave af Natur , ledet af Robert Schoelkopf ved Yale University, rapporterer også om oprettelsen af ​​single-phonon-excitationer. Taget sammen, de to undersøgelser åbner en ny vej til lagring af kvanteinformation, sagde forfatterne.

Enhederne blev fremstillet i Pritzker Nanofabrication Facility på IME.