Den eksperimentelle demonstration af sammenfiltring mellem mekaniske og spin-systemer

Kvantesammenfiltring er det grundlæggende fænomen, der ligger til grund for funktionen af ​​en række kvantesystemer, herunder kvantekommunikation, kvanteregistrering og kvanteberegningsværktøjer. Dette fænomen skyldes en interaktion (dvs. sammenfiltring) mellem partikler. At opnå sammenfiltring mellem fjerne og meget forskellige objekter, imidlertid, har indtil videre vist sig meget udfordrende.

Forskere ved Københavns Universitet har for nylig skabt sammenfiltring mellem en mekanisk oscillator og en kollektiv atomspinoscillator. Deres arbejde, beskrevet i et papir udgivet i Naturfysik , introducerer en strategi til at skabe sammenfiltring mellem disse to adskilte systemer.

"For omkring et årti siden, vi foreslog en måde at generere sammenfiltring mellem en mekanisk oscillator og en spinoscillator via fotoner, ved at bruge princippet, der senere blev kaldt 'kvantemekaniks frie underrum' eller 'baner uden kvanteusikkerheder, " sagde Eugene S. Polzik, der ledede gruppen, der udførte undersøgelsen. "I vores nye avis, vi rapporterer om eksperimentel implementering af disse forslag."

For at generere sammenfiltring mellem et mekanisk og et spin-system, Polzik og hans kolleger udnyttede en nøglefunktion ved spinoscillatorer, nemlig at de kan have en effektiv negativ masse. Når den er spændt, en spinoscillators energi reduceres, hvilket gør det muligt at blive viklet ind i en mere konventionel mekanisk oscillator, der har en positiv masse. Forskerne genererede eksperimentelt denne sammenfiltring ved at udføre en fælles måling på begge oscillatorer.

"Forviklinger mellem de mekaniske og spinde systemer genereres ved at sende lys gennem begge systemer, en positiv masse mekanisk oscillator og en spin oscillator med en effektiv negativ masse, " sagde Polzik. "Når du udfører en måling på det transmitterede lys, projicerer de to systemer ind i en sammenfiltret tilstand. Efterfølgende gentagne målinger verificerer sammenfiltringen ved at vise, at kvanteudsvingene i de to systemer er stærkt korrelerede."

Eksperimentet udført af Polzik og hans kolleger viser, at mekanisk bevægelse kan, i hvert fald i princippet, måles med vilkårlig nøjagtighed ved at identificere og anvende en passende referenceramme. Disse målinger overvinder den såkaldte 'standard kvantegrænse for måling', der stammer fra Heisenberg-usikkerhedsprincippet, som gælder for målinger i en standard, klassisk referenceramme.

Essensen af ​​usikkerhedsprincippet er balancen mellem målingens unøjagtighed og den forstyrrelse, målingen forårsager, kvanteryghandlingen, " sagde Polzik. "Med en måling i den negative massereferenceramme forstyrrer tilbagevirkningsforstyrrelserne på genstanden og referencerammen distraherende og udligner, hvilket fører til potentielt ubegrænset målenøjagtighed."

Dette team af forskere var det første, der eksperimentelt demonstrerede sammenfiltring mellem et mekanisk og et spin-system. I fremtiden, deres arbejde kunne bidrage til udviklingen af ​​nye kvanteteknologier og protokoller, der er baseret på sammenfiltring mellem forskellige typer oscillatorer. I deres næste studier, Polzik og hans kolleger planlægger at evaluere effektiviteten af ​​deres tilgang til at udføre kvanteteleportering og at udvikle andre kvantekommunikationsværktøjer.

"Med den nylige observation af kvante-ryghandling fra gravitationsbølgedetektorernes teams LIGO og VIRGO bliver måderne til at overvinde kvante-rygaktionsgrænserne særligt relevante for disse ekstremt udfordrende instrumenter, " sagde Polzik. "Vi er ved at konstruere et eksperiment, hvor vi har til hensigt at demonstrere den potentielle anvendelighed af vores tilgang til den forbedrede følsomhed af gravitationsbølgedetektorer."

© 2020 Science X Network