Team dirigerer og måler kvantetrommeduet

Som dirigenter af en uhyggelig symfoni, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har "sammenfiltret" to små mekaniske tromler og målt præcist deres forbundne kvanteegenskaber. Sammenfiltrede par som dette kan en dag udføre beregninger og transmittere data i store kvantenetværk.

NIST-teamet brugte mikrobølgeimpulser til at lokke de to små aluminiumstromler ind i en kvanteversion af Lindy Hop, med den ene partner, der hoppede i et køligt og roligt mønster, mens den anden puslede lidt mere. Forskere analyserede radarlignende signaler for at verificere, at de to trommers trin dannede et sammenfiltret mønster - en duet, der ville være umulig i den klassiske hverdag.

Det nye er ikke så meget selve dansen, men forskernes evne til at måle trommeslag, stiger og falder med kun en kvadrilliontedel meter, og verificere deres skrøbelige sammenfiltring ved at detektere subtile statistiske sammenhænge mellem deres bevægelser.

Forskningen er beskrevet i 7. maj-udgaven af Videnskab .

"Hvis du analyserer positions- og momentumdata for de to tromler uafhængigt, de ser bare varme ud hver især, " NIST-fysiker John Teufel sagde. "Men ser på dem sammen, vi kan se, at det, der ligner tilfældig bevægelse af en tromle, er meget korreleret med den anden, på en måde, der kun er mulig gennem kvantesammenfiltring."

Kvantemekanik blev oprindeligt opfattet som regelbogen for lys og stof i atomskalaer. Imidlertid, i de senere år har forskere vist, at de samme regler kan gælde for stadig større objekter som f.eks. tromlerne. Deres frem og tilbage bevægelse gør dem til en type system kendt som en mekanisk oscillator. Sådanne systemer blev viklet ind for første gang på NIST for omkring et årti siden, og i det tilfælde var de mekaniske elementer enkelte atomer.

Siden da, Teufels forskningsgruppe har demonstreret kvantekontrol af tromlelignende aluminiumsmembraner suspenderet over safirmåtter. Efter kvantestandarder, NIST-trommerne er enorme, 20 mikrometer bred, 14 mikrometer lang og 100 nanometer tyk. De vejer hver omkring 70 pikogram, hvilket svarer til omkring 1 billion atomer.

Det er svært at sammenfiltre massive genstande, fordi de interagerer stærkt med miljøet, som kan ødelægge sarte kvantetilstande. Teufels gruppe udviklede nye metoder til at kontrollere og måle bevægelsen af ​​to trommer samtidigt. Forskerne tilpassede en teknik, der først blev demonstreret i 2011, til afkøling af en enkelt tromle ved at skifte fra stabile til pulserende mikrobølgesignaler for separat at optimere afkølingstrinene, indfiltring og måling af staterne. For nøje at analysere sammenfiltringen, eksperimentalister arbejdede også tættere sammen med teoretikere, en stadig vigtigere alliance i den globale indsats for at opbygge kvantenetværk.

NIST trommesættet er forbundet til et elektrisk kredsløb og indkapslet i et kryogenisk afkølet hulrum. Når en mikrobølgeimpuls påføres, det elektriske system interagerer med og styrer tromlernes aktiviteter, som kan opretholde kvantetilstande som sammenfiltring i cirka et millisekund, lang tid i kvanteverdenen.

Til forsøgene, forskere anvendte to samtidige mikrobølgeimpulser for at afkøle tromlerne, yderligere to samtidige impulser for at vikle trommerne ind, og to sidste impulser til at forstærke og optage signalerne, der repræsenterer kvantetilstandene af de to tromler. Staterne er kodet i et reflekteret mikrobølgefelt, ligner radar. Forskere sammenlignede reflektionerne med den originale mikrobølgeimpuls for at bestemme positionen og momentum af hver tromle.

For at afkøle trommerne, forskere påførte impulser med en frekvens under hulrummets naturlige vibrationer. Som i 2011-eksperimentet, trommeslagene konverterede anvendte fotoner til hulrummets højere frekvens. Disse fotoner sivede ud af hulrummet, da det blev fyldt op. Hver afgående foton tog en mekanisk energienhed med sig - en fonon, eller et kvante - fra trommebevægelse. Dette fjernede det meste af den varmerelaterede trommebevægelse.

For at skabe sammenfiltring, forskere anvendte mikrobølgeimpulser mellem frekvenserne af de to trommer, højere end tromle 1 og lavere end tromle 2. Disse impulser sammenfiltrede tromle 1-fononer med hulrummets fotoner, generere korrelerede foton-fonon-par. Impulserne afkølede også tromle 2 yderligere, da fotoner, der forlod hulrummet, blev erstattet med fononer. Tilbage var for det meste par sammenfiltrede fononer, der blev delt mellem de to trommer.

For at vikle fononparrene ind, varigheden af ​​pulserne var afgørende. Forskere opdagede, at disse mikrobølgeimpulser skulle vare længere end 4 mikrosekunder, ideelt 16,8 mikrosekunder, at vikle fononerne kraftigt ind. I løbet af denne periode blev sammenfiltringen stærkere og bevægelsen af ​​hver tromle steg, fordi de bevægede sig i forening, en slags sympatisk forstærkning, sagde Teufel.

Forskere ledte efter mønstre i de returnerede signaler, eller radardata. I den klassiske verden ville resultaterne være tilfældige. At plotte resultaterne på en graf afslørede usædvanlige mønstre, der tyder på, at tromlerne var viklet ind. For at være sikker, forskerne kørte eksperimentet 10, 000 gange og anvendte en statistisk test til at beregne korrelationerne mellem forskellige sæt resultater, såsom positionerne af de to tromler.

"Groft sagt, vi målte, hvor korrelerede to variabler er - f.eks. hvis du målte positionen af ​​en tromle, hvor godt kunne du forudsige positionen af ​​den anden tromle, " sagde Teufel. "Hvis de ikke har nogen sammenhænge, ​​og de begge er helt kolde, du kunne kun gætte den gennemsnitlige position af den anden tromle inden for en usikker på et halvt kvante af bevægelse. Når de er viklet ind, vi kan gøre det bedre, med mindre usikkerhed. Sammenfiltring er den eneste måde, det er muligt på."

"For at verificere, at sammenfiltring er til stede, vi laver en statistisk test kaldet et 'forviklingsvidne' ''' NIST-teoretiker Scott Glancy sagde. "Vi observerer sammenhænge mellem trommernes positioner og momentum, og hvis disse korrelationer er stærkere, end der kan frembringes af klassisk fysik, vi ved, at trommerne må have været viklet ind. Radarsignalerne måler position og momentum samtidigt, men Heisenberg-usikkerhedsprincippet siger, at dette ikke kan gøres med perfekt nøjagtighed. Derfor, vi betaler en omkostning for ekstra tilfældighed i vores målinger. Den usikkerhed håndterer vi ved at indsamle et stort datasæt og korrigere for usikkerheden under vores statistiske analyse."

Meget indviklet, massive kvante systemer som dette kan tjene som langlivede knudepunkter for kvante netværk. De højeffektive radarmålinger, der bruges i dette arbejde, kan være nyttige i applikationer såsom kvanteteleportation-dataoverførsel uden et fysisk link-eller bytte sammenfiltring mellem noder i et kvantenetværk, fordi disse applikationer kræver, at der træffes beslutninger baseret på målinger af sammenfiltringsresultater. Entangled systemer kan også bruges i grundlæggende test af kvantemekanik og kraftføling ud over standard kvantegrænser.