Entanglement – der binder fjerne partikler eller grupper af partikler, så man ikke kan beskrives uden den anden – er kernen i kvanterevolutionen, der ændrer ansigtet til moderne teknologi.
Mens sammenfiltring er blevet demonstreret i meget små partikler, tænker ny forskning fra Laboratoriet for University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UCHICAGO PME) Prof. Andrew Cleland stort, hvilket demonstrerer højfidenskabsforvikling mellem to akustiske bølgeresonatorer.
Papiret offentliggøres i Naturkommunikation.
“En masse forskningsgrupper har vist, at de kan sammenfiltrere meget, meget små ting ned til den enkelte elektron. Men her kan vi demonstrere sammenfiltring mellem to massive genstande,” sagde den første forfatter Ming-Han Chou, en tidligere Uchicago PME og Fysik Doctor forsker nu på Amazon Web Services Center for Quantum Computing. “Den anden ting, vi demonstrerer i denne forskning, er, at vores platform er skalerbar. Hvis du kan forestille dig at bygge en stor kvanteprocessor, ville vores platform være som en enhedscelle inden for det.”
Forviklingen er ikke mellem molekylerne, atomer eller andre partikler, der udgør resonatorerne, men mellem “fononer”, der besætter resonatorerne. Dette er de nanoskala mekaniske vibrationer, der – der ørerne var små nok til at høre dem – ville betragtes som lyd.
“Fononer er kvantepartikler af lyd,” sagde den første forfatter Hong Qiao, en PME-postdoktorisk forsker i Uchicago i Clelands laboratorium. “En fonon er ikke en elementær partikel. Det er den kollektive bevægelse af måske firkantede partikler, der opfører sig sammen. Dette er makroskopisk sammenlignet med andre kvantesystemer, hvor du sammenfatter enkeltelektroner, enkeltatomer, enkeltfotoner.”
Quantum Concerto
At sammenfiltrere denne kollektive, lydlignende bevægelse har længe været et forskningsfokus for Cleland. Hans laboratorium var den første til at finde ud af, hvordan man opretter og registrerer enkeltfononer og den første til at sammenfiltrere to fononer. Mens de var ph.d. Kandidater i Uchicago PME, Qiao var på forskerteamet for sidstnævnte gennembrud, og Chou var involveret i begge.
For nylig udnævnte Department of Defense Cleland til en FanneVar Bush-fakultets stipendiat fra 2024 til at forfølge det fononbaserede kvanteberegning.
“Den konventionelle visdom har været, at kvantemekanik regulerer fysik i den mindste skala, mens klassisk fysik styrer den menneskelige skala,” sagde Cleland. “Men vores evne til at sammenfiltrere massive genstande ved at sammenfiltrere deres kollektive bevægelse skubber den grænse. Domænet, hvor Erwin Schrödingers kat eksisterer, bliver større med hvert fremskridt.”
Enheden, som teamet byggede, er centreret om to overfladeakustiske bølgeresonatorer, hver på sin egen chip med sin egen mekaniske understøttelsesstruktur og hver tilsluttet sin egen superledende quubit. Qubits bruges til at generere og registrere de sammenfiltrede fonon -tilstande. Med denne enhed viste forskerne fra Clelands gruppe, at de store resonatorer kunne være kvantetilsluttet både mens de er fysisk adskilt og med høj tro.
“Tidligere har folk vist, at der er sammenfiltring, men med begrænset tro,” sagde Qiao. “Det, vi har vist her, er, at vi kan gå et skridt videre for at forberede mere komplicerede sammenfiltrede tilstande, måske endda potentielt tilføje logiske kodninger.”
Den næste hindring er tid og forlænger resonatorens levetid for at øge kvantekohærensen. En længerevarende sammenfiltring ville muliggøre mere kraftfuld kommunikation eller distribueret kvanteberegning, to hovedmål i bygning af kvantenetværk.
“Vores mekaniske resonator har en relativt kort levetid, og det har ganske begrænset ydelsen i denne tilgang,” sagde Chou. “Det næste trin er meget klart: Vi vil forsøge at forbedre den mekaniske resonator -levetid.”
Gruppen håber at udvide resonatorens levetid fra sit nuværende niveau på ca. 300 nanosekunder til mere end 100 mikrosekunder. Det lyder måske skræmmende, men der er flere eksisterende strategier til at ramme denne mere end 300 gange stigning, sagde Chou.
“Der er forskellige enhedsgeometrier eller forskellige tilgange inden for kvanteakustik, der allerede kan opnå en så lang levetid, men bare for at forenkle vores eksperiment brugte vi dem ikke i denne indledende forskning,” sagde Chou.