Styring af ikke-klassiske mekaniske tilstande i en fononisk bølgelederarkitektur

De fleste kvantecomputerteknologier er afhængige af evnen til at producere, manipulere og detektere ikke-klassiske lystilstande. Ikke-klassiske tilstande er kvantetilstande, der ikke direkte kan produceres ved hjælp af konventionelle lyskilder, såsom lamper og lasere, og kan derfor ikke beskrives af teorien om klassisk elektromagnetisme.

Disse ukonventionelle tilstande inkluderer klemte tilstande, indviklede tilstande og tilstande med en negativ Wigner-funktion. Evnen til på samme måde at kontrollere tilstandene af fononiske systemer, dem der involverer akustik og vibrationer, kunne åbne interessante muligheder for udvikling af nye kvanteteknologier, herunder enheder til kvanteregistrering og kvanteinformationsbehandling.

Forskere ved Delft University of Technology (TU Delft)'s Kavli Institute of Nanoscience har for nylig introduceret en strategi, der kunne bruges til at opnå et højt niveau af kontrol over fononiske bølgeledere. Denne strategi, skitseret i et papir offentliggjort i Nature Physics , kunne muliggøre brugen af ​​fononiske bølgeledere i kvanteteknologi, på samme måde som optiske fibre og bølgeledere bruges i dag.

Optiske fibre og bølgeledere kan bruges til at transmittere kvanteinformation kodet i optiske fotoner. I løbet af de sidste årtier har de været væsentlige komponenter for både kvanteteknologi og klassisk kommunikationsteknologi.

"At realisere ækvivalente komponenter til optiske fibre og bølgeledere til mekaniske excitationer har potentialet til at revolutionere det begyndende felt af kvanteakustik og fononik," fortalte Simon Gröblacher, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Sådanne fononiske bølgeledere med lavt tab vil ikke kun tillade at guide og transmittere (kvante) information kodet i fononer over titusvis af centimeter på en chip, men vil danne grundlaget for fuld sammenhængende kontrol over bevægende mekaniske excitationer."

Hovedformålet med det nylige arbejde af Gröblacher og hans kolleger var at udtænke en metode til at kontrollere ikke-klassiske mekaniske tilstande i en fononisk bølgeleder med individuelle fononer i en suspenderet siliciummikrostruktur. De sigter i sidste ende på at introducere en ny værktøjskasse til at udføre eksperimenter inden for kvanteakustik, som igen ville give fysikere og ingeniører mulighed for at interagere med kvantesystemer på nye måder.

"Akustiske bølger er fundamentalt forskellige fra oscillationen af ​​enkelte atomer eller ioner i fælder på grund af den tilhørende store masse, deres udbredelseskarakter og muligheden for at koble til en lang række andre kvantesystemer som kvanteprikker og superledende qubits," Gröblacher, sagde. "At lede enkelte fononer er et afgørende skridt i retning af at realisere hybride kvanteenheder og overføre kvanteinformation over heterogene netværk."

I løbet af de sidste par år har Gröblachers forskergruppe udført adskillige eksperimenter med fokus på fononiske enheder. I deres tidligere undersøgelser var de i stand til at skabe, lagre og detektere enkelte fononer i fotoniske/foniske krystalenheder ved at udnytte optomekaniske interaktioner mellem stråling og tryk.

Som en del af deres nylige undersøgelse designede og realiserede de den første fononiske bølgeleder til at producere ikke-klassiske rejsende mekaniske excitationer.

"Ved at fremstille bølgelederen fra tyndfilmssilicium kombinerer vi bølgelederen med en kilde og detektor til ikke-klassiske mekaniske tilstande og var i stand til at verificere udbredelsen af ​​disse kvantetilstande i bølgelederen," forklarede Gröblacher. "Disse akustiske bølger ved GHz-frekvenser styres i en meget begrænset nanoskala geometri med lange levetider (op til flere millisekunder), især ved lave temperaturer, hvilket muliggør trofast transport af kvantetilstande over centimeters afstande på en chip."

I deres eksperimenter viste Gröblacher og hans kolleger, at når de udbredes i deres bølgeleder, bevares de ikke-klassiske korrelationer, der opstår fra fononer lanceret på forskellige tidspunkter. Disse ikke-klassiske korrelationer havde en bemærkelsesværdig mekanisk levetid på ca. 100 μs, hvilket betyder, at deres system teoretisk kunne bruges til at transmittere enkelte fononer over ti centimeter uden væsentlige energitab.

Forskerne viste også, at deres bølgeleder kunne bruges til at realisere en fononisk først-i-først-ud (FIFO) kvantehukommelse. I fremtiden kan sådan en kvantehukommelse have værdifulde anvendelser inden for telekommunikation og kvanteakustik. + Udforsk yderligere

Forskere realiserer kvanteteleportering på mekanisk bevægelse af siliciumstråler

© 2022 Science X Network