Vær skånsom over for mekaniske kvantesystemer

Når man tænker på kvantemekaniske systemer, kan enkelte fotoner og velisolerede ioner og atomer dukke op, eller elektroner, der spredes gennem en krystal. Mere eksotisk i forbindelse med kvantemekanik er ægte mekaniske kvantesystemer; det vil sige massive genstande, hvor mekanisk bevægelse såsom vibration er kvantiseret. I en række sædvanlige eksperimenter er essentielle kvantemekaniske træk blevet observeret i mekaniske systemer, herunder energikvantisering og sammenfiltring.

Men med henblik på at anvende sådanne systemer i grundlæggende undersøgelser og teknologiske anvendelser er observation af kvanteegenskaber kun et første skridt. Den næste er at mestre håndteringen af ​​mekaniske kvanteobjekter, så deres kvantetilstande kan kontrolleres, måles og til sidst udnyttes i enhedslignende strukturer. Gruppen af ​​Yiwen Chu i Institut for Fysik ved ETH Zürich har nu gjort store fremskridt i den retning. At skrive i Naturfysik , rapporterer de udtrækning af information fra et mekanisk kvantesystem uden at ødelægge den dyrebare kvantetilstand. Dette fremskridt baner vejen til applikationer som kvantefejlkorrektion og videre.

Massiv kvantemekanik

ETH-fysikerne anvender som deres mekaniske system en plade af højkvalitets safir, lidt under en halv millimeter tyk. På dens top sidder en tynd piezoelektrisk transducer, der kan excitere akustiske bølger, som reflekteres i bunden og dermed strækker sig over et veldefineret volumen inde i pladen. Disse excitationer er den kollektive bevægelse af et stort antal atomer, men alligevel er de kvantificerede (i energienheder kendt som fononer) og kan i princippet i det mindste udsættes for kvanteoperationer på meget samme måde som atomernes kvantetilstande , fotoner og elektroner kan være.

Spændende nok er det muligt at forbinde den mekaniske resonator med andre kvantesystemer, og især med superledende qubits. Sidstnævnte er bittesmå elektroniske kredsløb, hvor elektromagnetiske energitilstande kvantiseres, og de er i øjeblikket en af ​​de førende platforme til at bygge skalerbare kvantecomputere. De elektromagnetiske felter, der er forbundet med det superledende kredsløb, muliggør koblingen af ​​qubit til den piezoelektriske transducer af den akustiske resonator og derved til dens mekaniske kvantetilstande.

I sådanne hybride qubit-resonatorenheder kan det bedste fra to verdener kombineres. Specifikt kan de højtudviklede beregningsevner af superledende qubits bruges synkront med robustheden og den lange levetid af akustiske tilstande, som kan tjene som kvantehukommelser eller transducere. Til sådanne applikationer vil blot kobling af qubit- og resonatortilstande imidlertid ikke være nok. For eksempel ødelægger en ligetil måling af kvantetilstanden i resonatoren den, hvilket gør gentagne målinger umulige. Det, der i stedet er nødvendigt, er evnen til at udtrække information om den mekaniske kvantetilstand på en mere skånsom og velkontrolleret måde.

Den ikke-destruktive vej

At demonstrere en protokol for sådanne såkaldte kvante-ikke-nedrivningsmålinger er, hvad Chus ph.d.-studerende Uwe von Lüpke, Yu Yang og Marius Bild, i samarbejde med Branco Weiss-stipendiat Matteo Fadel og med støtte fra semesterprojektstuderende Laurent Michaud, nu har opnået. I deres eksperimenter er der ingen direkte energiudveksling mellem den superledende qubit og den akustiske resonator under målingen. I stedet bringes qubittens egenskaber til at afhænge af antallet af fononer i den akustiske resonator, uden at det er nødvendigt direkte at "røre" den mekaniske kvantetilstand - tænk på en theremin, det musikinstrument, hvor tonehøjden afhænger af positionen af musikerens hånd uden at komme i fysisk kontakt med instrumentet.

At skabe et hybridsystem, hvor resonatorens tilstand afspejles i qubit-spektret, er meget udfordrende. Der er strenge krav til, hvor længe kvantetilstandene kan opretholdes både i qubit og i resonatoren, før de forsvinder på grund af ufuldkommenheder og forstyrrelser udefra. Så opgaven for holdet var at skubbe levetiderne for både qubit- og resonatorkvantetilstandene. Og det lykkedes dem ved at lave en række forbedringer, herunder et omhyggeligt valg af den anvendte type superledende qubit og indkapsling af hybridenheden i et superledende aluminiumhulrum for at sikre tæt elektromagnetisk afskærmning.

Kvanteinformation på et behov-to-know-grundlag

Efter at have skubbet deres system ind i det ønskede operationelle regime (kendt som det "stærke dispersive regime"), var holdet i stand til forsigtigt at udtrække fononnummerfordelingen i deres akustiske resonator efter at have spændt den med forskellige amplituder. Desuden demonstrerede de en måde at bestemme i en enkelt måling, om antallet af fononer i resonatoren er lige eller ulige - en såkaldt paritetsmåling - uden at lære noget andet om fordelingen af ​​fononer. At opnå så meget specifik information, men ingen anden, er afgørende i en række kvanteteknologiske anvendelser. For eksempel kan en ændring i paritet (en overgang fra et ulige til et lige tal eller omvendt) signalere, at en fejl har påvirket kvantetilstanden, og at det er nødvendigt at korrigere. Her er det naturligvis væsentligt, at den tilstand, der skal rettes, ikke ødelægges.

Før en implementering af sådanne fejlkorrektionsskemaer er mulig, er det imidlertid nødvendigt med yderligere forfining af hybridsystemet, især for at forbedre driftsikkerheden. Men kvantefejlkorrektion er langtfra den eneste brug i horisonten. Der er en overflod af spændende teoretiske forslag i den videnskabelige litteratur til kvanteinformationsprotokoller såvel som til fundamentale undersøgelser, der drager fordel af, at de akustiske kvantetilstande ligger i massive objekter. Disse giver for eksempel unikke muligheder for at udforske kvantemekanikkens omfang i grænsen af ​​store systemer og for at udnytte de mekaniske kvantesystemer som en sensor. + Udforsk yderligere

Sådan testes grænserne for kvantemekanik