Als dirigenten van een spookachtige symfonie, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben twee kleine mechanische trommels "verstrengeld" en hun gekoppelde kwantumeigenschappen nauwkeurig gemeten. Verstrengelde paren zoals deze kunnen ooit berekeningen uitvoeren en gegevens verzenden in grootschalige kwantumnetwerken.

Het NIST-team gebruikte microgolfpulsen om de twee kleine aluminium drums te verleiden tot een kwantumversie van de Lindy Hop, waarbij de ene partner in een koel en kalm patroon dobberde terwijl de andere wat meer aan het wiebelen was. Onderzoekers analyseerden radarachtige signalen om te verifiëren dat de stappen van de twee trommels een verstrengeld patroon vormden - een duet dat onmogelijk zou zijn in de alledaagse klassieke wereld.

Wat nieuw is, is niet zozeer de dans zelf, maar het vermogen van de onderzoekers om de drumbeats te meten, stijgen en dalen met slechts een quadriljoenste van een meter, en hun fragiele verstrengeling verifiëren door subtiele statistische relaties tussen hun bewegingen te detecteren.

Het onderzoek wordt beschreven in het nummer van 7 mei van: Wetenschap .

"Als je de positie- en momentumgegevens voor de twee drums onafhankelijk van elkaar analyseert, ze zien er allemaal gewoon goed uit, NIST-natuurkundige John Teufel zei. "Maar als we ze samen bekijken, we kunnen zien dat wat lijkt op een willekeurige beweging van de ene trommel sterk gecorreleerd is met de andere, op een manier die alleen mogelijk is door kwantumverstrengeling."

Kwantummechanica werd oorspronkelijk opgevat als het regelboek voor licht en materie op atomaire schaal. Echter, de afgelopen jaren hebben onderzoekers aangetoond dat dezelfde regels kunnen gelden voor steeds grotere objecten zoals de drums. Hun heen-en-weer beweging maakt ze tot een soort systeem dat bekend staat als een mechanische oscillator. Dergelijke systemen raakten ongeveer tien jaar geleden voor het eerst verstrikt bij NIST, en in dat geval waren de mechanische elementen enkele atomen.

Vanaf dat moment, De onderzoeksgroep van Teufel heeft de kwantumcontrole aangetoond van trommelachtige aluminiummembranen die boven saffiermatten zijn opgehangen. Volgens kwantumstandaarden, de NIST-drums zijn enorm, 20 micrometer breed bij 14 micrometer lang en 100 nanometer dik. Ze wegen elk ongeveer 70 picogrammen, wat overeenkomt met ongeveer 1 biljoen atomen.

Het verstrengelen van massieve objecten is moeilijk omdat ze een sterke wisselwerking hebben met de omgeving, die delicate kwantumtoestanden kunnen vernietigen. Teufels groep ontwikkelde nieuwe methoden om de beweging van twee trommels tegelijk te controleren en te meten. De onderzoekers pasten een techniek aan die voor het eerst werd gedemonstreerd in 2011 voor het koelen van een enkele trommel door over te schakelen van stabiele naar gepulseerde microgolfsignalen om de koelingsstappen afzonderlijk te optimaliseren, het verstrengelen en meten van de toestanden. Om de verstrengeling grondig te analyseren, experimentatoren werkten ook nauwer samen met theoretici, een steeds belangrijker alliantie in de wereldwijde inspanning om kwantumnetwerken te bouwen.

Het NIST-drumstel is aangesloten op een elektrisch circuit en ingekapseld in een cryogeen gekoelde holte. Wanneer een microgolfpuls wordt toegepast, het elektrische systeem interageert met en regelt de activiteiten van de drums, die kwantumtoestanden zoals verstrengeling ongeveer een milliseconde kan volhouden, een lange tijd in de kwantumwereld.

Voor de experimenten, onderzoekers pasten twee gelijktijdige microgolfpulsen toe om de trommels te koelen, nog twee gelijktijdige pulsen om de trommels te verstrengelen, en twee laatste pulsen om de signalen te versterken en op te nemen die de kwantumtoestanden van de twee trommels vertegenwoordigen. De toestanden zijn gecodeerd in een gereflecteerd microgolfveld, vergelijkbaar met radar. Onderzoekers vergeleken de reflecties met de originele microgolfpuls om de positie en het momentum van elke trommel te bepalen.

Om de trommels te koelen, onderzoekers pasten pulsen toe met een frequentie onder de natuurlijke trillingen van de holte. Net als in het experiment van 2011 de drumbeats zetten toegepaste fotonen om in de hogere frequentie van de holte. Deze fotonen lekten uit de holte terwijl deze volliep. Elk vertrekkend foton nam één mechanische eenheid van energie mee - één fonon, of één kwantum - van drumbeweging. Hierdoor werden de meeste warmtegerelateerde drumbewegingen weggenomen.

Om verstrikking te creëren, onderzoekers pasten microgolfpulsen toe tussen de frequenties van de twee trommels, hoger dan trommel 1 en lager dan trommel 2. Deze pulsen verstrengelden de fononen van trommel 1 met de fotonen van de holte, gecorreleerde foton-fononparen genereren. De pulsen koelden ook trommel 2 verder, terwijl fotonen die de holte verlieten werden vervangen door fononen. Wat overbleef waren meestal paren verstrengelde fononen die tussen de twee trommels werden gedeeld.

Om de fononparen te verstrengelen, de duur van de pulsen was cruciaal. Onderzoekers ontdekten dat deze microgolfpulsen langer dan 4 microseconden moesten duren, idealiter 16,8 microseconden, om de fononen sterk te verstrengelen. Gedurende deze tijdsperiode werd de verstrengeling sterker en de beweging van elke trommel nam toe omdat ze eenstemmig bewogen, een soort sympathieke versterking, zei Teufel.

Onderzoekers zochten naar patronen in de geretourneerde signalen, of radargegevens. In de klassieke wereld zouden de resultaten willekeurig zijn. Het uitzetten van de resultaten in een grafiek onthulde ongebruikelijke patronen die suggereerden dat de trommels verstrengeld waren. Om zeker te zijn, de onderzoekers voerden het experiment uit 10, 000 keer en een statistische test toegepast om de correlaties tussen verschillende reeksen resultaten te berekenen, zoals de posities van de twee trommels.

"Over het algemeen gesproken we hebben gemeten hoe gecorreleerd twee variabelen zijn, bijvoorbeeld als je de positie van één trommel hebt gemeten, hoe goed zou je de positie van de andere trommel kunnen voorspellen, "Zei Teufel. "Als ze geen correlaties hebben en ze zijn allebei perfect koud, je kon alleen de gemiddelde positie van de andere trommel raden binnen een onzekerheid van een half kwantum beweging. Als ze verstrikt zijn, wij kunnen beter, met minder onzekerheid. Verstrengeling is de enige manier waarop dit mogelijk is."

"Om te verifiëren dat verstrengeling aanwezig is, we doen een statistische test die een 'verstrengelingsgetuige' wordt genoemd, ''' zei NIST-theoreticus Scott Glancy. "We observeren correlaties tussen de posities en impulsen van de drums, en als die correlaties sterker zijn dan kan worden geproduceerd door de klassieke natuurkunde, we weten dat de trommels verstrikt moeten zijn geweest. De radarsignalen meten tegelijkertijd positie en momentum, maar het onzekerheidsprincipe van Heisenberg zegt dat dit niet met perfecte nauwkeurigheid kan worden gedaan. Daarom, we betalen extra willekeur in onze metingen. Die onzekerheid beheersen we door een grote dataset te verzamelen en te corrigeren voor de onzekerheid tijdens onze statistische analyse."

sterk verstrikt, enorme kwantumsystemen zoals deze kunnen dienen als langlevende knooppunten van kwantumnetwerken. De zeer efficiënte radarmetingen die in dit werk worden gebruikt, kunnen nuttig zijn in toepassingen zoals kwantumteleportatie - gegevensoverdracht zonder een fysieke link - of het wisselen van verstrengeling tussen knooppunten van een kwantumnetwerk, omdat voor deze toepassingen beslissingen moeten worden genomen op basis van metingen van verstrengelingsresultaten. Verstrengelde systemen kunnen ook worden gebruikt in fundamentele tests van de kwantummechanica en krachtdetectie die de standaard kwantumlimieten overschrijden.