Som dirigenter av en skrämmande symfoni, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har "trasslat in" två små mekaniska trummor och exakt mätt deras kopplade kvantegenskaper. Intrasslade par som detta kan en dag utföra beräkningar och överföra data i storskaliga kvantnätverk.

NIST -teamet använde mikrovågspulser för att locka de två små aluminiumtrummorna till en kvantversion av Lindy Hop, med en partner som hoppar i ett svalt och lugnt mönster medan den andra skakar lite mer. Forskare analyserade radarliknande signaler för att verifiera att de två trummornas steg bildade ett intrasslat mönster-en duett som skulle vara omöjlig i den vardagliga klassiska världen.

Det som är nytt är inte så mycket dansen i sig utan forskarnas förmåga att mäta trumslag, stiger och faller bara en kvadrilliondel av en meter, och verifiera deras bräckliga intrassling genom att upptäcka subtila statistiska samband mellan deras rörelser.

Forskningen beskrivs i 7 maj -numret av Vetenskap .

"Om du analyserar positions- och momentumdata för de två trummorna oberoende av varandra, de ser varma ut helt enkelt, "NIST -fysikern John Teufel sa." Men när vi tittade på dem tillsammans, vi kan se att det som ser ut som slumpmässig rörelse i en trumma är starkt korrelerat med den andra, på ett sätt som bara är möjligt genom kvantinvikling. "

Kvantmekanik var ursprungligen tänkt som regelboken för ljus och materia i atomskala. Dock, på senare år har forskare visat att samma regler kan gälla för allt större föremål som trummorna. Deras rörelse fram och tillbaka gör dem till en typ av system som kallas en mekanisk oscillator. Sådana system intrasslades för första gången vid NIST för ungefär ett decennium sedan, och i så fall var de mekaniska elementen enstaka atomer.

Sedan dess, Teufels forskargrupp har visat kvantkontroll av trumliknande aluminiummembran hängande ovanför safirmattor. Enligt kvantstandarder, NIST -trummorna är massiva, 20 mikrometer bred med 14 mikrometer lång och 100 nanometer tjock. De väger var och en cirka 70 pikogram, vilket motsvarar cirka 1 biljon atomer.

Att trassla in massiva föremål är svårt eftersom de interagerar starkt med miljön, som kan förstöra känsliga kvanttillstånd. Teufels grupp utvecklade nya metoder för att kontrollera och mäta rörelsen för två trummor samtidigt. Forskarna anpassade en teknik som först demonstrerades 2011 för att kyla en enda trumma genom att växla från stabila till pulserade mikrovågssignaler för att separat optimera kylningsstegen, trassla ihop och mäta tillstånden. För att noggrant analysera intrasslingen, experimentister arbetade också närmare med teoretiker, en allt viktigare allians i det globala arbetet med att bygga kvantnätverk.

NIST -trumset är anslutet till en elektrisk krets och inneslutet i en kryogeniskt kyld hålighet. När en mikrovågspuls appliceras, elsystemet interagerar med och styr trummans verksamhet, som kan upprätthålla kvanttillstånd som trassel i ungefär en millisekund, länge i kvantvärlden.

För experimenten, forskare applicerade två samtidiga mikrovågspulser för att kyla trummorna, ytterligare två samtidiga pulser för att trassla trummorna, och två slutpulser för att förstärka och registrera signalerna som representerar kvanttillstånden för de två trummorna. Staterna är kodade i ett reflekterat mikrovågsfält, liknande radar. Forskare jämförde reflektionerna med den ursprungliga mikrovågspulsen för att bestämma position och momentum för varje trumma.

För att kyla trummorna, forskare applicerade pulser med en frekvens under hålighetens naturliga vibrationer. Som i experimentet 2011, trummeslagen konverterade applicerade fotoner till kavitetens högre frekvens. Dessa fotoner läckte ut ur hålrummet när det fyllde sig. Varje avgående foton tog med sig en mekanisk energienhet - en fonon, eller en kvant - från trumrörelse. Detta blev av med det mesta av den värmerelaterade trumrörelsen.

För att skapa trassel, forskare applicerade mikrovågspulser mellan frekvenserna på de två trummorna, högre än trumma 1 och lägre än trumma 2. Dessa pulser intrasslade trumma 1 -fononer med hålighetens fotoner, generera korrelerade foton-fononpar. Pulserna kylde också trumman 2 ytterligare, som fotoner som lämnade kaviteten ersattes med fononer. Det som var kvar var mestadels par av intrasslade fononer som delades mellan de två trummorna.

För att trassla in fononparen, varaktigheten av pulserna var avgörande. Forskare upptäckte att dessa mikrovågspulser behövde vara längre än 4 mikrosekunder, helst 16,8 mikrosekunder, att starkt trassla in fononerna. Under denna tidsperiod blev sammanfiltringen starkare och rörelsen för varje trumma ökade eftersom de rörde sig tillsammans, en slags sympatisk förstärkning, Sa Teufel.

Forskare letade efter mönster i de returnerade signalerna, eller radardata. I den klassiska världen skulle resultaten vara slumpmässiga. Att rita resultaten på en graf avslöjade ovanliga mönster som tyder på att trummorna var intrasslade. För att vara säker, forskarna körde experimentet 10, 000 gånger och använde ett statistiskt test för att beräkna korrelationerna mellan olika uppsättningar resultat, såsom positionerna för de två trummorna.

"På ett ungefär, vi mätte hur korrelerade två variabler är - till exempel om du mätte positionen för en trumma, hur bra kan du förutsäga positionen för den andra trumman, "Sa Teufel." Om de inte har några samband och de båda är helt kalla, du kunde bara gissa den andra trummans genomsnittliga position inom en osäkerhet på en halv kvantitet rörelse. När de trasslar in sig, vi kan göra bättre, med mindre osäkerhet. Trassel är det enda sättet detta är möjligt. "

"För att verifiera att trassel är närvarande, vi gör ett statistiskt test som kallas ett 'intrasslingsvittne', '', Sade NIST -teoretikern Scott Glancy. "Vi observerar samband mellan trummornas positioner och momentum, och om dessa korrelationer är starkare än vad klassisk fysik kan producera, vi vet att trummorna måste ha trasslat in sig. Radarsignalerna mäter position och momentum samtidigt, men Heisenbergs osäkerhetsprincip säger att detta inte kan göras med perfekt noggrannhet. Därför, vi betalar en extra slumpmässig kostnad i våra mätningar. Vi hanterar den osäkerheten genom att samla in en stor datamängd och korrigera för osäkerheten under vår statistiska analys. "

Mycket intrasslad, massiva kvantsystem som detta kan fungera som långlivade noder för kvantnätverk. De högeffektiva radarmätningar som används i detta arbete kan vara till hjälp i applikationer som kvantteleportation-dataöverföring utan fysisk länk-eller byte av intrassling mellan noder i ett kvantnätverk, eftersom dessa applikationer kräver att beslut fattas baserat på mätningar av intrasslingsresultat. Intrasslade system kan också användas i grundläggande tester av kvantmekanik och kraftavkänning bortom vanliga kvantgränser.