Πηγαίνετε εύκολα στα κβαντομηχανικά συστήματα

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

Εικόνα οπτικού μικροσκοπίου του ακουστικού συντονιστή που φαίνεται από ψηλά (δύο μεγαλύτεροι δίσκοι των οποίων το εσωτερικό είναι ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας) και της κεραίας που είναι συνδεδεμένη με το υπεραγώγιμο qubit (λευκή δομή). Πίστωση: προσαρμογή από τους von Lüpke et al, Φυσική Φυσική (2022). DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2.

Όταν σκεφτόμαστε τα κβαντομηχανικά συστήματα, μπορούμε να σκεφτούμε μεμονωμένα φωτόνια και καλά απομονωμένα ιόντα και άτομα ή ηλεκτρόνια που διαδίδονται μέσω ενός κρυστάλλου. Πιο εξωτικά στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής είναι τα πραγματικά μηχανικά κβαντικά συστήματα. δηλαδή μαζικά αντικείμενα στα οποία κβαντίζεται η μηχανική κίνηση όπως η δόνηση. Σε μια σειρά θεμελιωδών πειραμάτων, παρατηρήθηκαν πεμπτουσία κβαντομηχανικά χαρακτηριστικά σε μηχανικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένης της κβαντοποίησης της ενέργειας και της εμπλοκής.


Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθούν τέτοια συστήματα σε θεμελιώδεις μελέτες και τεχνολογικές εφαρμογές, η παρατήρηση των κβαντικών ιδιοτήτων είναι μόνο ένα πρώτο βήμα. Το επόμενο είναι να κυριαρχήσει ο χειρισμός των μηχανικών κβαντικών αντικειμένων, έτσι ώστε οι κβαντικές καταστάσεις τους να μπορούν να ελεγχθούν, να μετρηθούν και τελικά να αξιοποιηθούν σε δομές που μοιάζουν με συσκευές. Η ομάδα του Yiwen Chu από το Τμήμα Φυσικής του ETH Ζυρίχης έχει τώρα σημαντική πρόοδο προς αυτή την κατεύθυνση. Γράψε σε Φυσική Φυσική, αναφέρουν την εξαγωγή πληροφοριών από ένα μηχανικό κβαντικό σύστημα χωρίς να καταστρέψουν την πολύτιμη κβαντική κατάσταση. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη ανοίγει το δρόμο για εφαρμογές όπως π.χ διόρθωση κβαντικού λάθουςκαι πέρα.

Τεράστια κβαντική μηχανική

Οι φυσικοί του ETH χρησιμοποιούν μια πλάκα από ζαφείρι υψηλής ποιότητας, πάχους λίγο λιγότερο από μισό χιλιοστό, ως μηχανικό σύστημα. Στην κορυφή του υπάρχει ένας λεπτός πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας που μπορεί να διεγείρει ακουστικά κύματα, τα οποία ανακλώνται προς τα κάτω και έτσι εκτείνονται σε έναν καλά καθορισμένο όγκο μέσα στην πλάκα. Αυτές οι διεγέρσεις είναι η συλλογική κίνηση ενός μεγάλου αριθμού ατόμων, αλλά είναι κβαντισμένες (σε μονάδες ενέργειας που ονομάζονται φωνόνια) και μπορούν να υποβληθούν, κατ’ αρχήν τουλάχιστον, σε κβαντικές λειτουργίες με τον ίδιο σχεδόν τρόπο όπως οι κβαντικές καταστάσεις των ατόμων. , φωτόνια και ηλεκτρόνια μπορεί να είναι.

Περιέργως, είναι δυνατή η διασύνδεση του μηχανικό αντηχείο με άλλα κβαντικά συστήματα και ιδιαίτερα με υπεραγώγιμα qubits. Αυτά είναι μικροσκοπικά ηλεκτρονικά κυκλώματα στα οποία οι καταστάσεις ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας κβαντίζονται και είναι επί του παρόντος μία από τις κύριες πλατφόρμες για την κατασκευή κλιμακούμενων κβαντικών υπολογιστών. ο Ηλεκτρομαγνητικά πεδία που συνδέονται με το υπεραγώγιμο κύκλωμα καθιστούν δυνατή τη σύζευξη του qubit με τον πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα του ακουστικού συντονιστή, και επομένως με τις μηχανικές κβαντικές καταστάσεις του.

Σε τέτοιες υβριδικές συσκευές αντηχείου qubit, μπορούν να συνδυαστούν τα καλύτερα και των δύο κόσμων. Συγκεκριμένα, οι ιδιαίτερα ανεπτυγμένες υπολογιστικές δυνατότητες του υπεραγώγιμα qubits μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συγχρονισμό με τη στιβαρότητα και τη μεγάλη διάρκεια ζωής των ακουστικών τρόπων λειτουργίας, που μπορούν να χρησιμεύσουν ως κβαντικές μνήμες ή μετατροπείς. Για τέτοιες εφαρμογές, ωστόσο, η απλή σύζευξη των καταστάσεων qubit και συντονιστή δεν θα αρκεί. Για παράδειγμα, μια απλή μέτρηση της κβαντικής κατάστασης στον συντονιστή την καταστρέφει, καθιστώντας αδύνατες τις επαναλαμβανόμενες μετρήσεις. Αντίθετα, αυτό που χρειάζεται είναι η δυνατότητα εξαγωγής πληροφοριών σχετικά με τη μηχανική κβαντική κατάσταση με πιο ήπιο και καλά ελεγχόμενο τρόπο.

Aller doucement sur les systèmes quantiques mécaniques

Ο μη καταστροφικός τρόπος

Η επίδειξη ενός πρωτοκόλλου για τέτοιες λεγόμενες κβαντικές μετρήσεις μη κατεδάφισης είναι αυτό που έχουν οι φοιτητές του Chu PhD Uwe von Lüpke, Yu Yang και Marius Bild, σε συνεργασία με τον συνάδελφο Branco Weiss Matteo Fadel και με την υποστήριξη του φοιτητή του προγράμματος του εξαμήνου Laurent Michaud. τώρα συνειδητοποιημένος. Στα πειράματά τους, δεν υπάρχει άμεση ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του υπεραγώγιμου qubit και του ακουστικού συντονιστή κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Αντίθετα, οι ιδιότητες του qubit εξαρτώνται από τον αριθμό των φωνονίων στον ακουστικό αντηχείο, χωρίς να χρειάζεται να “αγγίξετε” απευθείας τη μηχανική κβαντική κατάσταση – σκεφτείτε ένα θέρεμιν, το μουσικό όργανο στο οποίο το ύψος εξαρτάται από τη θέση του μουσικού χέρι χωρίς φυσική επαφή με το όργανο.

Η δημιουργία ενός υβριδικού συστήματος στο οποίο η κατάσταση του συντονιστή αντανακλάται στο φάσμα qubit είναι πολύ δύσκολη. Υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις για το πόσο καιρό μπορούν να διατηρηθούν οι κβαντικές καταστάσεις τόσο στο qubit όσο και στο αντηχείο, προτού εξαφανιστούν λόγω ατελειών και διαταραχών από το εξωτερικό. Ως εκ τούτου, το καθήκον της ομάδας ήταν να απωθήσει τη διάρκεια ζωής των κβαντικών καταστάσεων του qubit και του συντονιστή. Και το πέτυχαν, κάνοντας μια σειρά βελτιώσεων, συμπεριλαμβανομένης μιας προσεκτικής επιλογής του τύπου υπεραγωγού qubit χρησιμοποιείται και ενθυλακώνει την υβριδική συσκευή σε μια υπεραγώγιμη κοιλότητα αλουμινίου για να παρέχει σφιχτή ηλεκτρομαγνητική θωράκιση.

Κβαντικές πληροφορίες με βάση την ανάγκη γνώσης

Αφού ώθησαν επιτυχώς το σύστημά τους στο επιθυμητό καθεστώς λειτουργίας (γνωστό ως “καθεστώς ισχυρής διασποράς”), η ομάδα μπόρεσε να εξαγάγει ομαλά την κατανομή αριθμού φωνονίων στον ακουστικό αντηχείο αφού τον διεγείρει με διαφορετικά πλάτη. Επιπλέον, έδειξαν έναν τρόπο να προσδιορίσουν σε μία μόνο μέτρηση εάν ο αριθμός των φωνονίων στο αντηχείο είναι άρτιο ή περιττό – ένα λεγόμενο μέτρο ισοτιμίας – χωρίς να μάθουμε τίποτα άλλο για την κατανομή των φθόγγων. Η απόκτηση αυτής της πολύ συγκεκριμένης πληροφορίας, αλλά όχι άλλης, είναι κρίσιμη σε μια σειρά από εφαρμογές της κβαντικής τεχνολογίας. Για παράδειγμα, μια αλλαγή στην ισοτιμία (μια μετάβαση από έναν περιττό αριθμό σε έναν ζυγό αριθμό ή αντίστροφα) μπορεί να σηματοδοτήσει ότι ένα σφάλμα έχει επηρεάσει την κβαντική κατάσταση και ότι χρειάζεται διόρθωση. Εδώ είναι απαραίτητο, φυσικά, να μην καταστραφεί το προς διόρθωση κράτος.

Ωστόσο, προτού καταστεί δυνατή η εφαρμογή τέτοιων σχημάτων διόρθωσης σφαλμάτων, απαιτείται περαιτέρω βελτίωση του υβριδικού συστήματος, ιδίως για τη βελτίωση της πιστότητας των λειτουργιών. Αλλά η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων δεν είναι μακράν η μόνη χρήση στον ορίζοντα. Υπάρχει μια πληθώρα συναρπαστικών θεωρητικών προτάσεων στην επιστημονική βιβλιογραφία για πρωτόκολλα κβαντικής πληροφορίας καθώς και θεμελιώδεις μελέτες που επωφελούνται από το γεγονός ότι οι ακουστικές κβαντικές καταστάσεις βρίσκονται σε τεράστια αντικείμενα. Αυτά προσφέρουν, για παράδειγμα, μοναδικές ευκαιρίες για εξερεύνηση του πεδίου εφαρμογής της κβαντικής μηχανικής στην άκρη μεγάλων συστημάτων και για εκμετάλλευση των κβαντομηχανικών συστημάτων ως αισθητήρα.


Πώς να δοκιμάσετε τα όρια της κβαντικής μηχανικής


Περισσότερες πληροφορίες:
Uwe von Lüpke et al, Μέτρηση ισοτιμίας στο ισχυρό καθεστώς διασποράς της κβαντικής ακουστικοδυναμικής του κυκλώματος, Φυσική Φυσική (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2

Παραθέτω, αναφορά: Going Gentle on Mechanical Quantum Systems (13 Μαΐου 2022) ανακτήθηκε στις 14 Μαΐου 2022 από https://phys.org/news/2022-05-gentle-mechanical-quantum.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την ορθή χρήση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημέρωση.

READ  Ο κινεζικός διαστημικός ανιχνευτής επιστρέφει στη Γη με δείγματα από το φεγγάρι

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.