Kvantindviklet lys fra en vibrerende membran

Forvikling, en stærk form for sammenhæng mellem kvantesystemer, er en vigtig ressource for kvanteberegning. Forskere fra Quantum Optomechanics -gruppen ved Niels Bohr Institute, Københavns Universitet, for nylig viklet to laserstråler igennem ved at studse dem af den samme mekaniske resonator, en spændt membran. Dette giver en ny måde at sammenfiltre forskellige elektromagnetiske felter, fra mikrobølgestråling til optiske stråler. I særdeleshed, at skabe sammenfiltring mellem optiske og mikrobølgefelter ville være et vigtigt skridt i retning af at løse den mangeårige udfordring med at dele sammenfiltring mellem to fjerne kvantecomputere, der opererer i mikrobølgeregimet. Resultatet er nu offentliggjort i Naturkommunikation .

I et fremtidigt kvanteinternet, det er kvantecomputers internet, sammenfiltring skal deles mellem to fjerne kvantecomputere. Dette gøres typisk med elektromagnetiske forbindelser som optiske fibre. I øjeblikket, et af de mest avancerede kvantesystemer er baseret på superledende kredsløb, som fungerer i mikrobølgeovnen. Så avanceret som det er, at forbinde sådanne computere i netværk udgør stadig en stejl udfordring:mikrobølger kan ikke spredes langt uden tab, hvilket er skadeligt for kvanteberegningsopgaver. En måde at afhjælpe dette problem på er først at blande mikrobølger med optiske felter, brug derefter optiske links, med langt lavere tab, til langdistancekommunikation. Imidlertid, på grund af stor forskel i bølgelængder (millimeter for mikrobølger og mikrometer for lys), denne konvertering er stadig en udfordring.

Objekter vibrerer, når de bombarderes af lette partikler

Når et elektromagnetisk felt, dvs. en laserstråle, reflekteres fra et vibrerende objekt, den kan aflæse vibrationen. Dette er en meget udbredt effekt i optisk-baseret sansning. På den anden side, et elektromagnetisk felt består af fotoner, energikugler af lys. Da lyset sprang af objektet, fotoner bombarderer det, fører til yderligere vibrationer. Denne ekstra vibration kaldes quantum backaction. Refleksion af to elektromagnetiske felter på det samme mekaniske objekt giver en effektiv interaktion mellem felterne. Sådan interaktion finder sted uanset bølgelængden af ​​de to felter. Derefter, denne interaktion kan udnyttes til at skabe sammenfiltring mellem de to felter, uafhængigt af deres bølgelængder, f.eks. mellem mikrobølge og optik. Selvom kvantebagaktion kan være fremtrædende for objekter så små som et atom, kun i de seneste år, forskere har været i stand til at lave makroskopiske mekaniske anordninger, der er så følsomme for at observere denne effekt.

Ultrafølsom mekanisk enhed formidler sammenfiltring

I deres nu rapporterede arbejde, forskere fra Quantum Optomechanics -gruppen bruger en tynd membran, 3x3 mm bred, lavet af siliciumnitrid og gennemboret med et hulmønster, der isolerer bevægelsen af ​​den centrale pude. Dette gør enheden følsom nok til at vise kvantebagaktion. De lyser to lasere på membranen samtidigt, hvor den ene laser ser den anden kvants tilbageaktion og omvendt. På denne måde, stærke sammenhænge, og faktisk sammenfiltring, genereres mellem to lasere. "Man kan sige, at de to lasere 'taler' gennem membranens bevægelse, "siger Junxin Chen, der har arbejdet på projektet under sin ph.d., og er en af ​​de primære forfattere til den videnskabelige artikel.

"Membranoscillatoren fungerer som et interaktionsmedie, fordi laserne ikke taler direkte til hinanden - fotoner interagerer ikke selv, kun gennem oscillatoren. "Junxin Chen siger videre, "interaktionen mellem fotoner og membranen er bølgelængdeuafhængig, tillader i princippet mikrobølge-optisk sammenfiltring. "Yderligere eksperimentelt arbejde vil være nødvendigt for at gøre dette-især betjening af membranen ved en temperatur tæt på absolut nul, hvor superledende kvantecomputere fungerer i dag. Eksperimenter i denne retning er i gang på Niels Bohr Institute.