Voor het laatste decennium, wetenschappers hebben enorme sprongen gemaakt in hun vermogen om systemen te bouwen en te controleren op basis van de bizarre regels van de kwantummechanica, die het gedrag van deeltjes op subatomaire schaal beschrijven.

Maar een uitdaging is om delicate kwantumsystemen goed te laten spelen met mechanische systemen - alles met bewegende delen - die ten grondslag liggen aan veel bestaande technologie.

In een eerste, wetenschappers van het Institute for Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory hebben een mechanisch systeem gebouwd - een kleine "echokamer" voor geluidsgolven - dat op kwantumniveau kan worden gecontroleerd, door het te verbinden met kwantumcircuits. Gepubliceerd op 21 november in Natuur , de doorbraak kan het bereik van kwantumtechnologie uitbreiden naar nieuwe kwantumsensoren, communicatie en geheugen.

"Deze twee technologieën met elkaar laten praten, is een belangrijke eerste stap voor allerlei kwantumtoepassingen, " zei hoofdonderzoeksauteur Andrew Cleland, de John A. MacLean Sr. Professor voor Molecular Engineering Innovation and Enterprise en een senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory. “Met deze aanpak we hebben kwantumcontrole over een mechanisch systeem bereikt op een niveau dat veel verder gaat dan wat eerder is gedaan."

Vooral, Cleland zei, er is veel interesse geweest in het integreren van kwantum- en mechanische systemen om ongelooflijk nauwkeurige kwantumsensoren te maken die de kleinste trillingen kunnen detecteren of kunnen interageren met individuele atomen.

"Veel technieken voor het detecteren van dingen zijn afhankelijk van voelkracht en verplaatsingen - dat wil zeggen beweging, " zei hij. "Deze sensoren spelen een fundamentele rol in elk type toepassing waarbij je iets probeert te meten. En mechanische systemen zijn het gemakkelijkst te bouwen en het meest gevoelig, dus er is al lang interesse om ze tot de kwantumlimiet te krijgen." (Mechanische sensoren, bijvoorbeeld, vormen de kern van de systemen die zwaartekrachtgolven detecteren - de rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd waardoor we zwarte gaten konden 'zien' die over het universum botsen.)

Cleland's onderzoek richt zich gedeeltelijk op kwantum elektrische circuits, en hij wilde een van deze circuits aansluiten op een apparaat dat akoestische oppervlaktegolven genereert - kleine geluidsgolven die langs het oppervlak van een blok vast materiaal lopen, als rimpelingen die over het oppervlak van een vijver bewegen. Dit fenomeen speelt een sleutelrol in alledaagse apparaten zoals mobiele telefoons, garagedeuropeners en radio-ontvangers.

Een belangrijke doorbraak was het afzonderlijk bouwen van de twee systemen, op verschillende soorten materiaal, om ze vervolgens met elkaar te verbinden. Hierdoor kon het team elk onderdeel optimaliseren en toch met elkaar communiceren. Beide moeten zeer, erg koud - slechts tienduizendste graad boven het absolute nulpunt.

Wetenschappers zijn enthousiast omdat dit hen een platform geeft om te experimenteren met geluid op kwantumniveau.

"Dit specifieke resultaat opent de deur om veel dingen met geluid te kunnen doen die je al met licht kunt doen, ' zei Cleland. 'Geluid beweegt 100, 000 keer langzamer dan licht, waardoor je meer tijd hebt om dingen te doen. Bijvoorbeeld, als je kwantuminformatie opslaat in een geheugen, het kan veel langer meegaan in geluid dan in licht."

Er zijn een aantal fundamentele onbeantwoorde vragen over hoe geluidsgolven zich gedragen in het kwantumrijk, hij zei, en dit systeem zou wetenschappers een platform kunnen bieden om ze aan te pakken.

De techniek zou ook de weg kunnen wijzen naar een kwantum "vertaler" die kwantumcommunicatie over elke afstand mogelijk zou maken. De elektronische atomen waarmee de groep van Cleland werkt, kunnen alleen bij zeer lage temperaturen werken en communiceren; kwantumakoestiek zou deze circuits in staat kunnen stellen om kwantuminformatie om te zetten in optische signalen die vervolgens over grote afstanden bij kamertemperatuur kunnen worden gecommuniceerd. Het is mogelijk dat een akoestische golfopstelling de basis zou kunnen vormen voor een dergelijk systeem, bekend als een kwantumrepeater, aldus Cleland.

De eerste auteur was Kevin Satzinger, Ph.D.'18, nu met Google. Coauteurs op het papier waren onder meer Assoc. Prof. David Schuster en Prof. David Awschalom, evenals postdoctoraal onderzoekers Audrey Bienfait en Etienne Dumur; afgestudeerde studenten Youpeng Zhong, Hung Shen Chang, Greg Pears, Ming Han Chou, Joël Grebel, Rhys Povey en Sam Whiteley; en studenten Ben November en Ivan Gutierrez (beiden AB'18).

Een afzonderlijke studie in dezelfde editie van Natuur , onder leiding van Robert Schoelkopf aan de Yale University, meldt ook de oprichting van single-phonon excitaties. Bij elkaar genomen, de twee onderzoeken openen een nieuwe weg voor het opslaan van kwantuminformatie, zeiden de auteurs.

De apparaten zijn gefabriceerd in de Pritzker Nanofabrication Facility op het IME.