Ny hardware integrerer mekaniske enheder i kvanteteknologi

Stanford University-forskere har udviklet en nøgleeksperimentel enhed til fremtidige kvantefysikbaserede teknologier, der låner en side fra nuværende, dagligdags mekaniske enheder.

Pålidelige, kompakte, holdbare og effektive akustiske enheder udnytter mekanisk bevægelse til at udføre nyttige opgaver. Et godt eksempel på en sådan enhed er den mekaniske oscillator. Når de forskydes af en kraft - som lyd, for eksempel - begynder enhedens komponenter at bevæge sig frem og tilbage omkring deres oprindelige position. At skabe denne periodiske bevægelse er en praktisk måde at holde tid på, filtrere signaler og føle bevægelse i allestedsnærværende elektronik, herunder telefoner, computere og ure.

Forskere har søgt at bringe fordelene ved mekaniske systemer ned i de ekstremt små skalaer af det mystiske kvanterige, hvor atomer sart interagerer og opfører sig på kontraintuitive måder. Med henblik herpå har Stanford-forskere ledet af Amir Safavi-Naeini demonstreret nye muligheder ved at koble små nanomekaniske oscillatorer med en type kredsløb, der kan lagre og behandle energi i form af en qubit eller kvante-"bit" af information. Ved at bruge enhedens qubit kan forskerne manipulere kvantetilstanden af ​​mekaniske oscillatorer og generere den slags kvantemekaniske effekter, som en dag kunne styrke avanceret databehandling og ultrapræcise sensorsystemer.

"Med denne enhed har vi vist et vigtigt næste skridt i forsøget på at bygge kvantecomputere og andre nyttige kvanteenheder baseret på mekaniske systemer," siger Safavi-Naeini, lektor ved Institut for Anvendt Fysik ved Stanford's School of Humanities og Videnskaber. Safavi-Naeini er seniorforfatter til en ny undersøgelse offentliggjort 20. april i tidsskriftet Nature beskriver resultaterne. "Vi søger i bund og grund at bygge 'mekaniske kvantemekaniske' systemer," sagde han.

Mønstring af kvanteeffekter på computerchips

De fælles førsteforfattere af undersøgelsen, Alex Wollack og Agnetta Cleland, begge ph.d. kandidater hos Stanford, stod i spidsen for bestræbelserne på at udvikle denne nye mekanikbaserede kvantehardware. Ved at bruge Stanford Nano Shared Facilities på campus arbejdede forskerne i renrum, mens de var udrustet i de kropsdækkende hvide "kanindragter", som blev båret på halvlederfabrikker for at forhindre urenheder i at forurene de følsomme materialer i spil.

Med specialiseret udstyr fremstillede Wollack og Cleland hardwarekomponenter i nanometerskala opløsninger på to siliciumcomputerchips. Forskerne klæbede derefter de to chips sammen, så komponenterne på den nederste chip vendte mod dem på den øverste halvdel, sandwich-stil.

På den nederste chip skabte Wollack og Cleland et superledende aluminiumskredsløb, der danner enhedens qubit. At sende mikrobølgeimpulser ind i dette kredsløb genererer fotoner (lyspartikler), som koder for en qubit information i enheden. I modsætning til konventionelle elektriske enheder, som lagrer bits som spændinger, der repræsenterer enten et 0 eller et 1, kan qubits i kvantemekaniske enheder også repræsentere vægtede kombinationer af 0 og 1 samtidigt. Dette er på grund af det kvantemekaniske fænomen kendt som superposition, hvor et kvantesystem eksisterer i flere kvantetilstande på én gang, indtil systemet er målt.

"Måden virkeligheden fungerer på det kvantemekaniske niveau er meget forskellig fra vores makroskopiske oplevelse af verden," sagde Safavi-Naeini.

Den øverste chip indeholder to nanomekaniske resonatorer dannet af ophængte, brolignende krystalstrukturer, der kun er nogle få snese nanometer - eller milliardtedele af en meter - lange. Krystallerne er lavet af lithiumniobat, et piezoelektrisk materiale. Materialer med denne egenskab kan konvertere en elektrisk kraft til bevægelse, hvilket i tilfældet med denne enhed betyder, at det elektriske felt, der formidles af qubit-fotonen, omdannes til et kvante (eller en enkelt enhed) af vibrationsenergi kaldet en fonon.

"Ligesom lysbølger, der kvantificeres til fotoner, kvantificeres lydbølger til 'partikler' kaldet fononer," sagde Cleland, "og ved at kombinere energi fra disse forskellige former i vores enhed skaber vi en hybrid kvanteteknologi, der udnytter fordelene af begge."

Genereringen af ​​disse fononer gjorde det muligt for hver nanomekanisk oscillator at fungere som et register, som er det mindst mulige dataholdende element i en computer, og med qubit'en, der leverer dataene. Ligesom qubit'en kan oscillatorerne følgelig også være i en superpositionstilstand - de kan både være exciterede (repræsenterer 1) og ikke exciterede (repræsenterer 0) på samme tid. Det superledende kredsløb gjorde det muligt for forskerne at forberede, udlæse og ændre de data, der er lagret i registrene, konceptuelt svarende til, hvordan konventionelle (ikke-kvante) computere fungerer.

"Drømmen er at lave en enhed, der fungerer på samme måde som siliciumcomputerchips, for eksempel i din telefon eller på et tommelfingerdrev, hvor der registreres store bits," sagde Safavi-Naeini. "Og selvom vi endnu ikke kan gemme kvantebits på et tommelfingerdrev, viser vi den samme slags ting med mekaniske resonatorer."

Udnyttelse af sammenfiltring

Ud over superposition udnyttede forbindelsen mellem fotonerne og resonatorerne i enheden yderligere et andet vigtigt kvantemekanisk fænomen kaldet sammenfiltring. Det, der gør indviklede tilstande så kontraintuitive, og også notorisk vanskelige at skabe i laboratoriet, er, at informationen om systemets tilstand er fordelt på tværs af en række komponenter. I disse systemer er det muligt at vide alt om to partikler sammen, men intet om en af ​​partiklerne observeret individuelt. Forestil dig to mønter, der vendes to forskellige steder, og som observeres at lande som hoveder eller haler tilfældigt med lige stor sandsynlighed, men når målinger på de forskellige steder sammenlignes, er de altid korrelerede; det vil sige, at hvis en mønt lander som haler, er den anden mønt garanteret at lande som hoveder.

Manipulationen af ​​flere qubits, alle i superposition og sammenfiltrede, er en-to-punch-powering-beregning og sansning i eftertragtede kvantebaserede teknologier. "Uden superposition og masser af sammenfiltring kan du ikke bygge en kvantecomputer," sagde Safavi-Naeini.

For at demonstrere disse kvanteeffekter i eksperimentet genererede Stanford-forskerne en enkelt qubit, gemt som en foton i kredsløbet på den nederste chip. Kredsløbet fik derefter lov til at udveksle energi med en af ​​de mekaniske oscillatorer på den øverste chip, før den resterende information blev overført til den anden mekaniske enhed. Ved at udveksle energi på denne måde – først med en mekanisk oscillator og derefter med den anden oscillator – brugte forskerne kredsløbet som et værktøj til kvantemekanisk at vikle de to mekaniske resonatorer ind i hinanden.

"Det bizarre ved kvantemekanikken er på fuld skærm her," sagde Wollack. "Ikke kun kommer lyd i diskrete enheder, men en enkelt partikel af lyd kan deles mellem de to sammenfiltrede makroskopiske objekter, hver med trillioner af atomer, der bevæger sig - eller ikke bevæger sig - i forening."

For i sidste ende at udføre praktiske beregninger, ville perioden med vedvarende sammenfiltring eller sammenhæng være væsentligt længere - i størrelsesordenen sekunder i stedet for de brøkdele af sekunder, der er opnået hidtil. Superposition og sammenfiltring er begge meget følsomme forhold, sårbare over for selv små forstyrrelser i form af varme eller anden energi, og giver derfor foreslåede kvantesensorer en udsøgt følsomhed. Men Safavi-Naeini og hans medforfattere mener, at længere kohærenstider let kan opnås ved at finpudse fremstillingsprocesserne og optimere de involverede materialer.

"Vi har forbedret ydeevnen af ​​vores system i løbet af de sidste fire år med næsten 10 gange hvert år," sagde Safavi-Naeini. "Fremadrettet vil vi fortsætte med at tage konkrete skridt hen imod at udtænke kvantemekaniske enheder, såsom computere og sensorer, og bringe fordelene ved mekaniske systemer ind i kvantedomænet." + Udforsk yderligere

Fysikere tæller lydpartikler med kvantemikrofon