Bertindak lembut pada sistem kuantum mekanikal

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

Imej mikroskop optik resonator akustik dilihat dari atas (dua cakera yang lebih besar, bahagian dalamnya ialah transduser piezoelektrik) dan antena yang disambungkan kepada qubit superkonduktor (struktur putih). Kredit: Diadaptasi daripada von Lüpke et al, Fizik Alam Semula Jadi (2022). DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2.

Apabila memikirkan tentang sistem mekanikal kuantum, foton tunggal dan ion dan atom yang terpencil dengan baik mungkin terlintas di fikiran, atau elektron merebak melalui kristal. Lebih eksotik dalam konteks mekanik kuantum ialah sistem kuantum mekanikal yang tulen; iaitu, objek besar di mana gerakan mekanikal seperti getaran dikuantisasi. Dalam satu siri eksperimen mani, ciri-ciri mekanikal kuantum klasik telah diperhatikan dalam sistem mekanikal, termasuk pengkuantitian tenaga dan kekusutan.

Walau bagaimanapun, dengan tujuan untuk meletakkan sistem sedemikian untuk digunakan dalam kajian asas dan aplikasi teknologi, memerhati sifat kuantum hanyalah langkah pertama. Yang seterusnya adalah untuk menguasai pengendalian objek kuantum mekanikal, supaya keadaan kuantum mereka boleh dikawal, diukur, dan akhirnya dieksploitasi dalam struktur seperti peranti. Kumpulan Yiwen Chu dalam Jabatan Fizik di ETH Zurich kini telah mencapai kemajuan besar ke arah itu. Menulis masuk Fizik Alam Semula Jadi, mereka melaporkan pengekstrakan maklumat daripada sistem kuantum mekanikal tanpa memusnahkan keadaan kuantum yang berharga. Kemajuan ini membuka laluan kepada aplikasi seperti pembetulan ralat kuantumdan seterusnya.

Mekanik kuantum besar-besaran

Ahli fizik ETH menggunakan sebagai sistem mekanikal mereka kepingan nilam berkualiti tinggi, sedikit di bawah setengah milimeter tebal. Di bahagian atasnya terdapat transduser piezoelektrik nipis yang boleh mengujakan gelombang akustik, yang dipantulkan di bahagian bawah dan dengan itu memanjang merentasi isipadu yang jelas di dalam papak. Pengujaan ini ialah gerakan kolektif sebilangan besar atom, namun ia dikuantisasi (dalam unit tenaga yang dikenali sebagai fonon) dan boleh tertakluk, pada dasarnya sekurang-kurangnya, kepada operasi kuantum dengan cara yang hampir sama seperti keadaan kuantum atom. , foton dan elektron boleh.

Menariknya, adalah mungkin untuk antara muka resonator mekanikal dengan sistem kuantum lain, dan dengan qubit superkonduktor khususnya. Yang terakhir adalah litar elektronik kecil di mana keadaan tenaga elektromagnet dikuantisasi, dan mereka kini merupakan salah satu platform utama untuk membina komputer kuantum boleh skala. The medan elektromagnet yang dikaitkan dengan litar superkonduktor membolehkan gandingan qubit ke transduser piezoelektrik resonator akustik, dan dengan itu kepada keadaan kuantum mekanikalnya.

Dalam peranti qubit–resonator hibrid sedemikian, dua dunia terbaik boleh digabungkan. Khususnya, keupayaan pengiraan yang sangat maju bagi qubit superkonduktor boleh digunakan secara serentak dengan keteguhan dan jangka hayat mod akustik yang panjang, yang boleh berfungsi sebagai kenangan kuantum atau transduser. Untuk aplikasi sedemikian, bagaimanapun, hanya gandingan keadaan qubit dan resonator tidak akan mencukupi. Sebagai contoh, pengukuran langsung keadaan kuantum dalam resonator memusnahkannya, menjadikan pengukuran berulang mustahil. Sebaliknya apa yang diperlukan ialah keupayaan untuk mengekstrak maklumat tentang keadaan kuantum mekanikal dengan cara yang lebih lembut dan terkawal.

Bertindak lembut pada sistem kuantum mekanikalFizik Alam (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2.”/>

Peranti hibrid terikat cip flip, dengan cip resonator akustik di atas cip qubit superkonduktor. Cip bawah adalah 7 mm panjang. Kredit: Diadaptasi daripada von Lüpke et al, Fizik Alam Semula Jadi (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2.

Jalan yang tidak merosakkan

Menunjukkan protokol untuk apa yang dipanggil ukuran bukan perobohan kuantum adalah apa yang telah dicapai oleh pelajar kedoktoran Chu Uwe von Lüpke, Yu Yang dan Marius Bild, bekerja dengan rakan sekerja Branco Weiss Matteo Fadel dan dengan sokongan daripada pelajar projek semester Laurent Michaud. Dalam eksperimen mereka tiada pertukaran tenaga langsung antara qubit superkonduktor dan resonator akustik semasa pengukuran. Sebaliknya, sifat qubit dibuat bergantung pada bilangan fonon dalam resonator akustik, tanpa perlu terus “menyentuh” ​​keadaan kuantum mekanikal-fikirkan tentang theremin, alat muzik di mana pic bergantung pada kedudukan tangan pemuzik tanpa membuat sentuhan fizikal dengan instrumen.

Mewujudkan sistem hibrid di mana keadaan resonator dicerminkan dalam spektrum qubit adalah sangat mencabar. Terdapat tuntutan yang ketat tentang berapa lama keadaan kuantum boleh dikekalkan dalam qubit dan dalam resonator, sebelum ia pudar akibat ketidaksempurnaan dan gangguan dari luar. Jadi tugas untuk pasukan adalah untuk menolak jangka hayat kedua-dua keadaan kuantum qubit dan resonator. Dan mereka berjaya, dengan membuat satu siri penambahbaikan, termasuk pilihan teliti jenis superkonduktor qubit menggunakan dan membungkus peranti hibrid dalam rongga aluminium superkonduktor untuk memastikan perisai elektromagnet yang ketat.

Maklumat kuantum atas dasar yang perlu diketahui

Setelah berjaya memasukkan sistem mereka ke dalam rejim operasi yang diingini (dikenali sebagai “rejim penyebaran kuat”), pasukan itu dapat mengekstrak secara perlahan taburan nombor fonon dalam resonator akustik mereka selepas mengujakannya dengan amplitud yang berbeza. Selain itu, mereka menunjukkan cara untuk menentukan dalam satu ukuran sama ada bilangan fonon dalam resonator adalah genap atau ganjil—yang dipanggil ukuran pariti—tanpa mempelajari apa-apa lagi tentang taburan fonon. Mendapatkan maklumat yang sangat khusus, tetapi tidak lain, adalah penting dalam beberapa aplikasi teknologi kuantum. Sebagai contoh, perubahan dalam pariti (peralihan daripada nombor ganjil kepada nombor genap atau sebaliknya) boleh memberi isyarat bahawa ralat telah menjejaskan keadaan kuantum dan pembetulan diperlukan. Di sini adalah penting, sudah tentu, keadaan yang akan diperbetulkan tidak dimusnahkan.

Walau bagaimanapun, sebelum pelaksanaan skim pembetulan ralat sedemikian, penghalusan lanjut sistem hibrid adalah perlu, khususnya untuk meningkatkan kesetiaan operasi. Tetapi pembetulan ralat kuantum bukanlah satu-satunya penggunaan di kaki langit. Terdapat banyak cadangan teori yang menarik dalam kesusasteraan saintifik untuk protokol maklumat kuantum serta untuk kajian asas yang mendapat manfaat daripada fakta bahawa keadaan kuantum akustik berada dalam objek besar. Ini menyediakan, sebagai contoh, peluang unik untuk meneroka skop mekanik kuantum dalam had sistem besar dan untuk memanfaatkan sistem kuantum mekanikal sebagai penderia.


Bagaimana untuk menguji had mekanik kuantum


Maklumat lanjut:
Uwe von Lüpke et al, Pengukuran pariti dalam rejim penyebaran kuat akustodinamik kuantum litar, Fizik Alam Semula Jadi (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2

Petikan: Bertindak lembut pada sistem kuantum mekanikal (2022, 13 Mei) diambil 14 Mei 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would like to say thanks to the author of this short article for this incredible content

Bertindak lembut pada sistem kuantum mekanikal


Our social media pages here and other pages related to them here.https://paw6.info/related-pages/