Bild i vinkel av den färdigförpackade enheten. Det övre (mekaniska) chippet är fäst med framsidan nedåt till det nedre (qubit) chippet med en självhäftande polymer. Kredit:Agnetta Cleland
Forskare från Stanford University har utvecklat en viktig experimentell enhet för framtida kvantfysikbaserade teknologier som lånar en sida från nuvarande, vardagliga mekaniska enheter.
Pålitliga, kompakta, hållbara och effektiva, akustiska enheter utnyttjar mekanisk rörelse för att utföra användbara uppgifter. Ett utmärkt exempel på en sådan anordning är den mekaniska oscillatorn. När de förskjuts av en kraft - som ljud, till exempel - börjar komponenterna i enheten röra sig fram och tillbaka om sin ursprungliga position. Att skapa denna periodiska rörelse är ett praktiskt sätt att hålla tid, filtrera signaler och känna av rörelse i allestädes närvarande elektronik, inklusive telefoner, datorer och klockor.
Forskare har försökt få ner fördelarna med mekaniska system till de extremt små skalorna i det mystiska kvantriket, där atomer känsligt interagerar och beter sig på kontraintuitiva sätt. Mot detta syfte har Stanford-forskare under ledning av Amir Safavi-Naeini visat nya möjligheter genom att koppla ihop små nanomekaniska oscillatorer med en typ av krets som kan lagra och bearbeta energi i form av en qubit, eller kvant "bit" av information. Med hjälp av enhetens qubit kan forskarna manipulera kvanttillståndet hos mekaniska oscillatorer och generera de typer av kvantmekaniska effekter som en dag skulle kunna förstärka avancerad beräkning och ultraprecisa avkänningssystem.
"Med den här enheten har vi visat ett viktigt nästa steg i att försöka bygga kvantdatorer och andra användbara kvantenheter baserade på mekaniska system", säger Safavi-Naeini, docent vid institutionen för tillämpad fysik vid Stanford's School of Humanities och Vetenskaper. Safavi-Naeini är seniorförfattare till en ny studie publicerad 20 april i tidskriften Nature beskriva fynden. "Vi funderar i huvudsak på att bygga "mekaniska kvantmekaniska" system", sa han.
Mönstrar kvanteffekter på datorchips
De gemensamma första författarna till studien, Alex Wollack och Agnetta Cleland, båda Ph.D. kandidater vid Stanford, ledde arbetet med att utveckla denna nya mekanikbaserade kvanthårdvara. Med hjälp av Stanford Nano Shared Facilities på campus, arbetade forskarna i renrum medan de var utrustade i de kroppstäckande vita "kanindräkterna" som bärs på halvledarfabriker för att förhindra att föroreningar kontaminerar de känsliga materialen i spelet.
Med specialiserad utrustning tillverkade Wollack och Cleland hårdvarukomponenter i nanometerskala upplösningar på två datorchips av kisel. Forskarna fäste sedan ihop de två chipsen så att komponenterna på det nedre chipset var vända mot dem på den övre halvan, sandwich-stil.
På bottenchippet skapade Wollack och Cleland en supraledande krets av aluminium som bildar enhetens qubit. Att skicka mikrovågspulser in i denna krets genererar fotoner (ljuspartiklar), som kodar en qubit av information i enheten. Till skillnad från konventionella elektriska enheter, som lagrar bitar som spänningar som representerar antingen en 0 eller en 1, kan qubits i kvantmekaniska enheter också representera viktade kombinationer av 0 och 1 samtidigt. Detta beror på det kvantmekaniska fenomenet som kallas superposition, där ett kvantsystem existerar i flera kvanttillstånd samtidigt tills systemet mäts.
"Sättet som verkligheten fungerar på den kvantmekaniska nivån skiljer sig mycket från vår makroskopiska upplevelse av världen", sa Safavi-Naeini.
Det översta chippet innehåller två nanomekaniska resonatorer bildade av upphängda, broliknande kristallstrukturer som bara är några tiotals nanometer – eller miljarddels meter – långa. Kristallerna är gjorda av litiumniobat, ett piezoelektriskt material. Material med denna egenskap kan omvandla en elektrisk kraft till rörelse, vilket i fallet med denna enhet innebär att det elektriska fältet som förmedlas av qubit-fotonen omvandlas till ett kvantum (eller en enda enhet) av vibrationsenergi som kallas en fonon.
Konceptuell illustration av ett klocktillstånd, där en enhet vibrationsenergi delas mellan två oscillatorer. Systemet finns i två möjliga tillstånd samtidigt:det första möjliga kvanttillståndet (inom parentes, till vänster om plustecknet) visar att den högra oscillatorn vibrerar och den vänstra oscillatorn står stilla. Det andra möjliga tillståndet visar vibrationsenergin som upptar den vänstra oscillatorn, med den högra stillastående. Enheten existerar i en överlagring av båda möjliga tillstånden – vilket innebär att varje oscillator både rör sig och inte rör sig samtidigt – tills den mäts. En mätning av systemet skulle bara ge ett av de två avbildade (inom parentes) utfallen:Om den vänstra oscillatorn observerades vibrera, skulle den högra med nödvändighet vara stilla, och vice versa. Detta illustrerar intrasslingen mellan de två oscillatorerna:Genom att utföra en mätning för att lära sig information om rörelsen hos endast en oscillator, skulle en observatör också bestämma tillståndet för den andra oscillatorn, utan att behöva mäta den separat. Kredit:Agnetta Cleland
"Precis som ljusvågor, som kvantiseras till fotoner, kvantiseras ljudvågor till "partiklar" som kallas fononer," sa Cleland, "och genom att kombinera energi av dessa olika former i vår enhet skapar vi en hybrid kvantteknologi som utnyttjar fördelarna av båda."
Genereringen av dessa fononer gjorde det möjligt för varje nanomekanisk oscillator att fungera som ett register, vilket är det minsta möjliga datainnehållande elementet i en dator, och med qubiten som levererar data. Liksom qubiten kan oscillatorerna följaktligen också vara i ett superpositionstillstånd - de kan vara både exciterade (representerar 1) och inte exciterade (representerar 0) samtidigt. Den supraledande kretsen gjorde det möjligt för forskarna att förbereda, läsa ut och modifiera data som lagras i registren, konceptuellt liknar hur konventionella (icke-kvantum) datorer fungerar.
"Drömmen är att göra en enhet som fungerar på samma sätt som datorchips av kisel, till exempel i din telefon eller på en minnesenhet, där registrerar lagra bitar", säger Safavi-Naeini. "Och även om vi inte kan lagra kvantbitar på en tumenhet ännu, visar vi samma typ av sak med mekaniska resonatorer."
Utnyttja intrassling
Utöver superposition utnyttjade kopplingen mellan fotoner och resonatorer i enheten ytterligare ett annat viktigt kvantmekaniskt fenomen som kallas intrassling. Det som gör intrasslade tillstånd så kontraintuitiva, och dessutom notoriskt svåra att skapa i labbet, är att informationen om systemets tillstånd är fördelad över ett antal komponenter. I dessa system är det möjligt att veta allt om två partiklar tillsammans, men inget om en av partiklarna som observeras individuellt. Föreställ dig två mynt som vänds på två olika platser och som observeras landa som huvuden eller svansar slumpmässigt med lika stor sannolikhet, men när mätningar på de olika platserna jämförs är de alltid korrelerade; det vill säga om ett mynt landar som svansar, kommer det andra myntet garanterat att landa som huvuden.
Manipuleringen av flera qubits, alla i superposition och intrasslade, är en-två-stämpeldrivande beräkning och avkänning i eftersökta kvantbaserade teknologier. "Utan superposition och massor av intrassling kan du inte bygga en kvantdator", sa Safavi-Naeini.
För att demonstrera dessa kvanteffekter i experimentet genererade Stanford-forskarna en enda qubit, lagrad som en foton i kretsen på bottenchipet. Kretsen fick sedan utbyta energi med en av de mekaniska oscillatorerna på toppchippet innan den återstående informationen överfördes till den andra mekaniska enheten. Genom att utbyta energi på detta sätt – först med en mekanisk oscillator och sedan med den andra oscillatorn – använde forskarna kretsen som ett verktyg för att kvantmekaniskt trassla in de två mekaniska resonatorerna med varandra.
"Det bisarra med kvantmekaniken visas för fullt här," sa Wollack. "Ljud kommer inte bara i diskreta enheter, utan en enda partikel av ljud kan delas mellan de två intrasslade makroskopiska objekten, vart och ett med biljoner atomer som rör sig - eller inte rör sig - samtidigt."
För att så småningom kunna utföra praktiska beräkningar skulle perioden av ihållande intrassling, eller koherens, behöva vara betydligt längre - i storleksordningen sekunder istället för de bråkdelar av sekunder som uppnåtts hittills. Superposition och intrassling är båda mycket känsliga förhållanden, känsliga för även små störningar i form av värme eller annan energi, och ger därför föreslagna kvantavkänningsanordningar utsökt känslighet. Men Safavi-Naeini och hans medförfattare tror att längre koherenstider lätt kan uppnås genom att finslipa tillverkningsprocesserna och optimera de inblandade materialen.
"Vi har förbättrat prestandan för vårt system under de senaste fyra åren med nästan 10 gånger varje år", säger Safavi-Naeini. "Framåt kommer vi att fortsätta att ta konkreta steg mot att utforma kvantmekaniska enheter, som datorer och sensorer, och föra in fördelarna med mekaniska system i kvantdomänen." + Utforska vidare
