М’яко ставитися до механічних квантових систем

М’яко ставитися до механічних квантових систем


Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2.” width=”800″ height=”398″/>

Зображення в оптичному мікроскопі акустичного резонатора зверху (два більших диска, внутрішнім з яких є п’єзоелектричний перетворювач) і антени, підключеної до надпровідного кубіта (біла структура). Авторство: Адаптовано з фон Люпке та ін., Фізика природи (2022). DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2.

Коли ми думаємо про квантово-механічні системи, на думку можуть спадати окремі фотони та добре ізольовані йони й атоми або електрони, що поширюються крізь кристал. Більш екзотичними в контексті квантової механіки є справді механічні квантові системи; тобто масивні об’єкти, в яких механічний рух, наприклад вібрація, квантується. Під час серії основоположних експериментів у механічних системах були виявлені квінтесенційні квантово-механічні особливості, включаючи квантування енергії та заплутання.

Однак, з метою використання таких систем у фундаментальних дослідженнях і технологічних додатках, спостереження за квантовими властивостями є лише першим кроком. Наступне — освоїти поводження з механічними квантовими об’єктами, щоб їх квантові стани можна було контролювати, вимірювати та, врешті, використовувати в пристроєподібних структурах. Група Івен Чу на кафедрі фізики ETH Zurich зараз досягла значного прогресу в цьому напрямку. Вписування Фізика природи, вони повідомляють про вилучення інформації з механічної квантової системи без руйнування дорогоцінного квантового стану. Цей прогрес відкриває шлях до таких застосувань, як квантова корекція помилок, і не тільки.

Масивна квантова механіка

Фізики ETH використовують як свою механічну систему плиту високоякісного сапфіру товщиною трохи менше півміліметра. На його верхній частині розташований тонкий п’єзоелектричний перетворювач, який може збуджувати акустичні хвилі, які відбиваються внизу і таким чином поширюються на чітко визначений об’єм всередині плити. Ці збудження є колективним рухом великої кількості атомів, але вони квантовані (в одиницях енергії, відомих як фонони) і можуть бути піддані, принаймні, в принципі, квантовим операціям майже так само, як і квантові стани атомів. , фотони та електрони можуть бути.

Цікаво, що механічний резонатор можна поєднати з іншими квантовими системами, зокрема з надпровідними кубітами. Останні являють собою крихітні електронні схеми, в яких стани електромагнітної енергії квантуються, і в даний час вони є однією з провідних платформ для створення масштабованих квантових комп’ютерів. Електромагнітні поля, пов’язані з надпровідним ланцюгом, забезпечують зв’язок кубіта з п’єзоелектричним перетворювачем акустичного резонатора і, таким чином, до його механічних квантових станів.

У таких гібридних пристроях кубіт-резонатор можна поєднати найкраще з двох світів. Зокрема, високорозвинені обчислювальні можливості надпровідних кубітів можуть бути використані синхронно з надійністю та тривалим терміном служби акустичних режимів, які можуть слугувати квантовою пам’яттю або перетворювачами. Для таких застосувань, однак, просто з’єднання станів кубіта та резонатора буде недостатньо. Наприклад, пряме вимірювання квантового стану в резонаторі руйнує його, унеможливлюючи повторні вимірювання. Натомість потрібна здатність витягувати інформацію про механічний квантовий стан більш м’яким, добре контрольованим способом.

М’яко ставитися до механічних квантових системNature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2.”/>

Гібридний пристрій із перекидним чіпом з мікросхемою акустичного резонатора на вершині надпровідного кубіта. Довжина нижньої стружки 7 мм. Авторство: Адаптовано з фон Люпке та ін., Фізика природи (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2.

Неруйнівний шлях

Демонстрація протоколу для таких так званих квантових вимірювань без знесення — це те, чого досягли докторанти Чу Уве фон Люпке, Ю Янг і Маріус Білд, працюючи з колегою Бранко Вайс Маттео Фаделем і за підтримки студента семестрового проекту Лорана Мішо. У їхніх експериментах немає прямого обміну енергією між надпровідним кубітом і акустичним резонатором під час вимірювання. Натомість властивості кубіта залежать від кількості фононів в акустичному резонаторі, без необхідності безпосередньо «торкатися» до механічного квантового стану — подумайте про терменвок, музичний інструмент, у якому висота звуку залежить від положення. руки музиканта без фізичного контакту з інструментом.

Створення гібридної системи, в якій стан резонатора відображається в спектрі кубіта, є надзвичайно складним завданням. Існують жорсткі вимоги щодо того, як довго квантові стани можуть витримуватись як у кубіті, так і в резонаторі, перш ніж вони зникнуть через недосконалості та збурення ззовні. Тому завданням команди було збільшити час життя як кубіта, так і квантового стану резонатора. І їм це вдалося, зробивши ряд удосконалень, включаючи ретельний вибір типу використовуваного надпровідного кубіта та інкапсулювання гібридного пристрою в надпровідну алюмінієву порожнину, щоб забезпечити щільне електромагнітне екранування.

Квантова інформація на основі необхідності знати

Успішно перевівши свою систему в потрібний робочий режим (відомий як «сильний дисперсійний режим»), команда змогла м’яко витягти розподіл фононних чисел у своєму акустичному резонаторі після збудження його різними амплітудами. Більше того, вони продемонстрували спосіб за допомогою одного вимірювання визначити, парна чи непарна кількість фононів в резонаторі — так зване вимірювання паритету — не вивчаючи нічого іншого про розподіл фононів. Отримання такої дуже конкретної інформації, але ніякої іншої, є вирішальним у ряді квантово-технологічних застосувань. Наприклад, зміна парності (перехід від непарного числа до парного або навпаки) може сигналізувати про те, що помилка вплинула на квантовий стан і що потрібна корекція. Тут, звичайно, важливо, щоб стан, що підлягає виправленню, не був зруйнований.

Однак перш ніж реалізувати такі схеми виправлення помилок, необхідно подальше доопрацювання гібридної системи, зокрема для підвищення точності операцій. Але квантова корекція помилок — далеко не єдине застосування на горизонті. У науковій літературі є велика кількість захоплюючих теоретичних пропозицій щодо квантово-інформаційних протоколів, а також для фундаментальних досліджень, які виграють від того факту, що акустичні квантові стани знаходяться в масивних об’єктах. Вони надають, наприклад, унікальні можливості для вивчення сфери квантової механіки в межах великих систем і для використання механічних квантових систем як датчика.


Як перевірити межі квантової механіки


Більше інформації:
Уве фон Люпке та ін., Вимірювання парності в режимі сильної дисперсії ланцюгової квантової акустодинаміки, Фізика природи (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2

Цитування: Будьте обережні щодо механічних квантових систем (2022, 13 травня) отримано 14 травня 2022 року з https://phys.org/news/2022-05-gentle-mechanical-quantum.html

Цей документ є об’єктом авторського права. За винятком будь-яких чесних відносин з метою приватного вивчення або дослідження, жодна частина не може бути відтворена без письмового дозволу. Вміст надається виключно в інформаційних цілях.





Source link

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.