Under det senaste decenniet har forskare har gjort stora steg i sin förmåga att bygga och styra system baserat på de bisarra reglerna för kvantmekanik, som beskriver partiklarnas beteende i subatomär skala.

Men en utmaning är att få känsliga kvantsystem att spela bra med mekaniska - allt med rörliga delar - som ligger till grund för mycket befintlig teknik.

I ett första, forskare vid Institute for Molecular Engineering vid University of Chicago och Argonne National Laboratory har byggt ett mekaniskt system - en liten "ekokammare" för ljudvågor - som kan styras på kvantnivå, genom att ansluta den till kvantkretsar. Publicerad 21 november Natur , genombrottet kan utöka kvantteknikens räckvidd till nya kvantsensorer, kommunikation och minne.

"Att få dessa två tekniker att tala med varandra är ett viktigt första steg för alla typer av kvantapplikationer, "sa huvudstudieförfattaren Andrew Cleland, John A. MacLean Sr.Professor för Molecular Engineering Innovation and Enterprise och en senior forskare vid Argonne National Laboratory. "Med detta tillvägagångssätt, vi har uppnått kvantkontroll över ett mekaniskt system på en nivå långt utöver vad som har gjorts tidigare. "

Särskilt, Cleland sa, Det har varit ett stort intresse för att integrera kvant- och mekaniska system för att göra otroligt exakta kvantsensorer som kan upptäcka de minsta vibrationerna eller interagera med enskilda atomer.

"Många tekniker för att upptäcka saker är beroende av att känna kraft och förskjutningar - det vill säga rörelse, "sa han." Dessa sensorer spelar en grundläggande roll i alla typer av applikationer där du försöker mäta något. Och mekaniska system är de enklaste att bygga och de mest känsliga, så det har länge funnits ett intresse för att få dem till kvantgränsen. "(Mekaniska sensorer, till exempel, är kärnan i systemen som detekterar gravitationens vågor-krusningarna i rymdtidens struktur som gjorde att vi kunde "se" svarta hål som kolliderar över universum.)

Clelands forskning fokuserar delvis på kvantelektriska kretsar, och han ville ansluta en av dessa kretsar till en enhet som genererar akustiska ytvågor - små ljudvågor som löper längs ytan av ett block av fast material, som krusningar som rör sig över ytan av en damm. Detta fenomen spelar en nyckelroll i vardagliga enheter som mobiltelefoner, garageportöppnare och radiomottagare.

Ett viktigt genombrott var att bygga de två systemen separat, på olika material, och sedan koppla ihop dem. Detta gjorde att laget kunde optimera varje komponent och ändå kommunicera med varandra. Båda måste hållas mycket, mycket kallt - bara tiotusendelsgrader över absolut noll.

Forskare är glada eftersom det ger dem en plattform för att experimentera med ljud på kvantnivå.

"Detta speciella resultat öppnar dörren för att kunna göra många saker med ljud som du redan kan göra med ljus, "Cleland sa." Ljudet rör sig 100, 000 gånger långsammare än ljus, vilket ger dig mer tid att göra saker. Till exempel, om du lagrar kvantinformation i ett minne, det kan hålla mycket längre lagrat i ljud än i ljus. "

Det finns ett antal grundläggande obesvarade frågor om hur ljudvågor beter sig i kvantområdet, han sa, och detta system kan ge forskare en plattform för att ta itu med dem.

Tekniken kan också peka vägen mot en kvant "översättare" som skulle möjliggöra kvantkommunikation över vilket avstånd som helst. De elektroniska atomer Clelands grupp arbetar med kan bara fungera och kommunicera vid mycket låga temperaturer; kvantekustik kan tillåta dessa kretsar att omvandla kvantinformation till optiska signaler som sedan kan kommuniceras över stora avstånd vid rumstemperatur. Det är möjligt att en akustisk vågsuppställning skulle kunna ligga till grund för ett sådant system, känd som en kvantrepeterare, Sa Cleland.

Den första författaren var Kevin Satzinger, Ph.D.'18, nu med Google. Medförfattare på tidningen inkluderade Assoc. Prof. David Schuster och prof. David Awschalom, liksom postdoktorala forskare Audrey Bienfait och Etienne Dumur; doktorander Youpeng Zhong, Hung-Shen Chang, Greg Peairs, Ming-Han Chou, Joel Grebel, Rhys Povey och Sam Whiteley; och studenter Ben November och Ivan Gutierrez (båda AB'18).

En separat studie i samma upplaga av Natur , ledd av Robert Schoelkopf vid Yale University, rapporterar också skapandet av en-fonon excitationer. Tagen tillsammans, de två studierna öppnar en ny väg för lagring av kvantinformation, sa författarna.

Enheterna tillverkades i Pritzker Nanofabrication Facility vid IME.