De meeste kwantumcomputertechnologieën zijn afhankelijk van het vermogen om niet-klassieke lichttoestanden te produceren, te manipuleren en te detecteren. Niet-klassieke toestanden zijn kwantumtoestanden die niet rechtstreeks kunnen worden geproduceerd met conventionele lichtbronnen, zoals lampen en lasers, en dus niet kunnen worden beschreven door de theorie van klassiek elektromagnetisme.

Deze onconventionele toestanden omvatten samengedrukte toestanden, verstrengelde toestanden en toestanden met een negatieve Wigner-functie. De mogelijkheid om de toestanden van fononische systemen op dezelfde manier te controleren, die met betrekking tot akoestiek en trillingen, zou interessante mogelijkheden kunnen openen voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën, waaronder apparaten voor kwantumdetectie en kwantuminformatieverwerking.

Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) hebben onlangs een strategie geïntroduceerd die kan worden gebruikt om een ​​hoog niveau van controle over phononische golfgeleiders te bereiken. Deze strategie, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Nature Physics , zou het gebruik van fononische golfgeleiders in kwantumtechnologie mogelijk kunnen maken, vergelijkbaar met hoe optische vezels en golfgeleiders tegenwoordig worden gebruikt.

Optische vezels en golfgeleiders kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie te verzenden die is gecodeerd in optische fotonen. In de afgelopen decennia zijn ze essentiële componenten geweest voor zowel kwantumtechnologie als klassieke communicatietechnologie.

"Het realiseren van componenten die gelijkwaardig zijn aan optische vezels en golfgeleiders voor mechanische excitaties heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in het ontluikende veld van kwantumakoestiek en phononics," vertelde Simon Gröblacher, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Dergelijke geluidsarme golfgeleiders maken het niet alleen mogelijk om (kwantum)informatie gecodeerd in fononen over tientallen centimeters op een chip te geleiden en te verzenden, maar zullen de basis vormen voor volledige coherente controle over bewegende mechanische excitaties."

Het belangrijkste doel van het recente werk van Gröblacher en zijn collega's was het bedenken van een methode om niet-klassieke mechanische toestanden te regelen in een fononische golfgeleider met individuele fononen in een zwevende siliciummicrostructuur. Ze zijn uiteindelijk gericht op de introductie van een nieuwe toolbox om experimenten op het gebied van kwantumakoestiek uit te voeren, waardoor natuurkundigen en ingenieurs op nieuwe manieren met kwantumsystemen kunnen interageren.

"Akoestische golven zijn fundamenteel verschillend van de oscillatie van afzonderlijke atomen of ionen in vallen, vanwege de bijbehorende grote massa, hun voortplantende karakter en de mogelijkheid om te koppelen aan een grote verscheidenheid aan andere kwantumsystemen zoals kwantumdots en supergeleidende qubits," Gröblacher, gezegd. "Het begeleiden van enkele fononen is een cruciale stap in de richting van het realiseren van hybride kwantumapparaten en het overbrengen van kwantuminformatie via heterogene netwerken."

De onderzoeksgroep van Gröblacher heeft de afgelopen jaren talloze experimenten uitgevoerd met de nadruk op phononic devices. In hun eerdere studies waren ze in staat om enkele fononen te creëren, op te slaan en te detecteren in fotonische/fononische kristalapparaten, gebruikmakend van optomechanische interacties tussen straling en druk.

Als onderdeel van hun recente studie ontwierpen en realiseerden ze de eerste fononische golfgeleider om niet-klassieke bewegende mechanische excitaties te produceren.

"Door de golfgeleider te vervaardigen uit dunne film silicium, combineren we de golfgeleider met een bron en detector voor niet-klassieke mechanische toestanden en konden we de voortplanting van deze kwantumtoestanden in de golfgeleider verifiëren", legt Gröblacher uit. "Deze akoestische golven op GHz-frequenties worden geleid in een zeer beperkte geometrie op nanoschaal, met een lange levensduur (tot enkele milliseconden), vooral bij lage temperaturen, waardoor het getrouwe transport van kwantumtoestanden over afstanden van centimeters op een chip mogelijk wordt."

In hun experimenten toonden Gröblacher en zijn collega's aan dat wanneer ze zich in hun golfgeleider voortplanten, de niet-klassieke correlaties die voortkomen uit fononen die op verschillende tijdstippen worden gelanceerd, behouden blijven. Deze niet-klassieke correlaties hadden een opmerkelijke mechanische levensduur van ongeveer 100 μs, wat betekent dat hun systeem theoretisch zou kunnen worden gebruikt om enkele fononen over tientallen centimeters uit te zenden, zonder noemenswaardige energieverliezen.

De onderzoekers toonden ook aan dat hun golfgeleider kan worden gebruikt om een ​​phononic first-in-first-out (FIFO) kwantumgeheugen te realiseren. In de toekomst zou zo'n kwantumgeheugen waardevolle toepassingen kunnen hebben in telecommunicatie en kwantumakoestiek. + Verder verkennen

Onderzoekers realiseren kwantumteleportatie op mechanische beweging van siliciumstralen

© 2022 Science X Network