När man tänker på kvantmekaniska system kan enstaka fotoner och välisolerade joner och atomer dyka upp, eller elektroner som sprider sig genom en kristall. Mer exotiskt i kvantmekanikens sammanhang är genuint mekaniska kvantsystem; det vill säga massiva föremål där mekanisk rörelse såsom vibration kvantiseras. I en serie seminalexperiment har kvantmekaniska egenskaper observerats i mekaniska system, inklusive energikvantisering och intrassling.

Men i syfte att använda sådana system i grundläggande studier och tekniska tillämpningar är observation av kvantegenskaper bara ett första steg. Nästa är att behärska hanteringen av mekaniska kvantobjekt, så att deras kvanttillstånd kan kontrolleras, mätas och så småningom utnyttjas i enhetsliknande strukturer. Gruppen Yiwen Chu vid Institutionen för fysik vid ETH Zürich har nu gjort stora framsteg i den riktningen. Skriver i Naturfysik , rapporterar de utvinning av information från ett mekaniskt kvantsystem utan att förstöra det dyrbara kvanttillståndet. Detta framsteg banar vägen till applikationer som kvantfelskorrigering och vidare.

Massiv kvantmekanik

ETH-fysikerna använder som sitt mekaniska system en platta av högkvalitativ safir, lite under en halv millimeter tjock. På dess ovansida sitter en tunn piezoelektrisk givare som kan excitera akustiska vågor, som reflekteras i botten och därmed sträcker sig över en väldefinierad volym inuti plattan. Dessa excitationer är den kollektiva rörelsen av ett stort antal atomer, men de är kvantiserade (i energienheter som kallas fononer) och kan åtminstone i princip utsättas för kvantoperationer på ungefär samma sätt som atomernas kvanttillstånd , fotoner och elektroner kan vara.

Spännande nog är det möjligt att koppla den mekaniska resonatorn till andra kvantsystem, och med supraledande kvantbitar i synnerhet. De senare är små elektroniska kretsar där elektromagnetiska energitillstånd kvantiseras, och de är för närvarande en av de ledande plattformarna för att bygga skalbara kvantdatorer. De elektromagnetiska fälten som är associerade med den supraledande kretsen möjliggör kopplingen av qubit till den piezoelektriska givaren i den akustiska resonatorn och därmed till dess mekaniska kvanttillstånd.

I sådana hybrid-qubit-resonatorenheter kan det bästa av två världar kombineras. Specifikt kan de högutvecklade beräkningsmöjligheterna hos supraledande qubits användas i synkronisering med robustheten och långa livslängden hos akustiska lägen, som kan fungera som kvantminnen eller givare. För sådana tillämpningar räcker det dock inte med att bara koppla qubit- och resonatortillstånd. Till exempel förstör en enkel mätning av kvanttillståndet i resonatorn det, vilket gör upprepade mätningar omöjliga. Det som istället behövs är förmågan att extrahera information om det mekaniska kvanttillståndet på ett mer skonsamt, välkontrollerat sätt.

Den oförstörande vägen

Att demonstrera ett protokoll för sådana så kallade quantum non-demolition-mätningar är vad Chus doktorander Uwe von Lüpke, Yu Yang och Marius Bild, i samarbete med Branco Weiss-stipendiat Matteo Fadel och med stöd från terminsprojektstudenten Laurent Michaud, nu har åstadkommit. I deras experiment sker inget direkt energiutbyte mellan den supraledande qubiten och den akustiska resonatorn under mätningen. Istället görs egenskaperna hos qubiten beroende av antalet fononer i den akustiska resonatorn, utan att man behöver direkt "röra" det mekaniska kvanttillståndet – tänk på en theremin, det musikinstrument där tonhöjden beror på positionen av musikerns hand utan att få fysisk kontakt med instrumentet.

Att skapa ett hybridsystem där resonatorns tillstånd återspeglas i spektrumet av qubiten är mycket utmanande. Det finns höga krav på hur länge kvanttillstånden kan upprätthållas både i qubiten och i resonatorn, innan de tonar bort på grund av ofullkomligheter och störningar utifrån. Så uppgiften för teamet var att driva på livstiderna för både qubit- och resonatorkvanttillstånden. Och de lyckades, genom att göra en rad förbättringar, inklusive ett noggrant val av typen av supraledande qubit som används och kapsla in hybridenheten i en supraledande aluminiumhålighet för att säkerställa tät elektromagnetisk avskärmning.

Kvantinformation på behovsbasis

Efter att framgångsrikt ha drivit in sitt system till den önskade operativa regimen (känd som den "starka dispersiva regimen"), kunde teamet försiktigt extrahera fononnummerfördelningen i sin akustiska resonator efter att ha exciterat den med olika amplituder. Dessutom visade de ett sätt att i en enda mätning avgöra om antalet fononer i resonatorn är jämnt eller udda - en så kallad paritetsmätning - utan att lära sig något annat om fononernas fördelning. Att få sådan mycket specifik information, men ingen annan, är avgörande i ett antal kvantteknologiska tillämpningar. Till exempel kan en förändring i paritet (en övergång från ett udda till ett jämnt tal eller vice versa) signalera att ett fel har påverkat kvanttillståndet och att korrigering behövs. Här är det naturligtvis väsentligt att det tillstånd som ska korrigeras inte förstörs.

Innan en implementering av sådana felkorrigeringsscheman är möjlig är emellertid ytterligare förfining av hybridsystemet nödvändig, i synnerhet för att förbättra driftsäkerheten. Men kvantfelskorrigering är överlägset inte den enda användningen vid horisonten. Det finns ett överflöd av spännande teoretiska förslag i den vetenskapliga litteraturen för kvantinformationsprotokoll såväl som för grundläggande studier som drar nytta av det faktum att de akustiska kvanttillstånden finns i massiva objekt. Dessa ger till exempel unika möjligheter att utforska omfattningen av kvantmekaniken i gränsen för stora system och för att utnyttja de mekaniska kvantsystemen som en sensor. + Utforska vidare

Hur man testar kvantmekanikens gränser