Als je denkt aan kwantummechanische systemen, denk je misschien aan enkele fotonen en goed geïsoleerde ionen en atomen, of elektronen die zich door een kristal verspreiden. Exotischer in de context van de kwantummechanica zijn echt mechanische kwantumsystemen; dat wil zeggen, massieve objecten waarin mechanische beweging zoals trillingen wordt gekwantiseerd. In een reeks baanbrekende experimenten zijn typische kwantummechanische kenmerken waargenomen in mechanische systemen, waaronder energiekwantisatie en verstrengeling.

Met het oog op het gebruik van dergelijke systemen in fundamentele studies en technologische toepassingen, is het observeren van kwantumeigenschappen echter slechts een eerste stap. De volgende is om het hanteren van mechanische kwantumobjecten onder de knie te krijgen, zodat hun kwantumtoestanden kunnen worden gecontroleerd, gemeten en uiteindelijk kunnen worden geëxploiteerd in apparaatachtige structuren. De groep van Yiwen Chu in het departement Natuurkunde aan de ETH Zürich heeft nu grote vooruitgang geboekt in die richting. Schrijven in Natuurfysica , rapporteren ze de extractie van informatie uit een mechanisch kwantumsysteem zonder de kostbare kwantumtoestand te vernietigen. Deze vooruitgang effent het pad naar toepassingen zoals kwantumfoutcorrectie en meer.

Massieve kwantummechanica

De ETH-natuurkundigen gebruiken als hun mechanische systeem een ​​plak saffier van hoge kwaliteit, iets minder dan een halve millimeter dik. Aan de bovenkant zit een dunne piëzo-elektrische transducer die akoestische golven kan opwekken, die aan de onderkant worden gereflecteerd en zich zo uitstrekken over een goed gedefinieerd volume in de plaat. Deze excitaties zijn de collectieve beweging van een groot aantal atomen, maar ze zijn gekwantiseerd (in energie-eenheden die bekend staan ​​als fononen) en kunnen in principe op vrijwel dezelfde manier worden onderworpen aan kwantumbewerkingen als de kwantumtoestanden van atomen , fotonen en elektronen kunnen zijn.

Intrigerend genoeg is het mogelijk om de mechanische resonator te koppelen aan andere kwantumsystemen, en in het bijzonder met supergeleidende qubits. De laatste zijn kleine elektronische circuits waarin elektromagnetische energietoestanden worden gekwantiseerd, en ze zijn momenteel een van de toonaangevende platforms voor het bouwen van schaalbare kwantumcomputers. De elektromagnetische velden die bij het supergeleidende circuit horen, maken de koppeling van de qubit aan de piëzo-elektrische transducer van de akoestische resonator mogelijk, en daarmee aan zijn mechanische kwantumtoestanden.

In dergelijke hybride qubit-resonatorapparaten kan het beste van twee werelden worden gecombineerd. In het bijzonder kunnen de hoogontwikkelde rekencapaciteiten van supergeleidende qubits synchroon worden gebruikt met de robuustheid en lange levensduur van akoestische modi, die kunnen dienen als kwantumgeheugens of transducers. Voor dergelijke toepassingen is echter het koppelen van qubit- en resonatortoestanden niet voldoende. Een eenvoudige meting van de kwantumtoestand in de resonator vernietigt deze bijvoorbeeld, waardoor herhaalde metingen onmogelijk worden. Wat in plaats daarvan nodig is, is de mogelijkheid om informatie over de mechanische kwantumtoestand op een zachtere, goed gecontroleerde manier te extraheren.

Het niet-destructieve pad

Het demonstreren van een protocol voor dergelijke zogenaamde kwantum-niet-sloopmetingen is wat Chu's promovendi Uwe von Lüpke, Yu Yang en Marius Bild, in samenwerking met Branco Weiss-collega Matteo Fadel en met steun van semesterprojectstudent Laurent Michaud, nu hebben bereikt. In hun experimenten is er tijdens de meting geen directe energie-uitwisseling tussen de supergeleidende qubit en de akoestische resonator. In plaats daarvan worden de eigenschappen van de qubit afhankelijk gemaakt van het aantal fononen in de akoestische resonator, zonder dat de mechanische kwantumtoestand direct hoeft te worden "aangeraakt" - denk aan een theremin, het muziekinstrument waarin de toonhoogte afhangt van de positie van de hand van de muzikant zonder fysiek contact te maken met het instrument.

Het creëren van een hybride systeem waarin de staat van de resonator wordt weerspiegeld in het spectrum van de qubit is een grote uitdaging. Er zijn strenge eisen aan hoe lang de kwantumtoestanden kunnen worden volgehouden, zowel in de qubit als in de resonator, voordat ze vervagen als gevolg van onvolkomenheden en verstoringen van buitenaf. Dus de taak voor het team was om de levensduur van zowel de qubit- als de resonatorkwantumtoestanden te verhogen. En ze zijn erin geslaagd door een reeks verbeteringen aan te brengen, waaronder een zorgvuldige keuze van het type supergeleidende qubit dat wordt gebruikt en het hybride apparaat in te kapselen in een supergeleidende aluminium holte om een ​​strakke elektromagnetische afscherming te garanderen.

Kwantuminformatie op een 'need-to-know'-basis

Nadat ze hun systeem met succes in het gewenste operationele regime hadden geduwd (bekend als het "sterke dispersieve regime"), was het team in staat om de fonon-nummerverdeling voorzichtig in hun akoestische resonator te extraheren na deze met verschillende amplituden te hebben geactiveerd. Bovendien demonstreerden ze een manier om in één enkele meting te bepalen of het aantal fononen in de resonator even of oneven is - een zogenaamde pariteitsmeting - zonder iets anders te leren over de verdeling van fononen. Het verkrijgen van dergelijke zeer specifieke informatie, maar geen andere, is cruciaal in een aantal kwantumtechnologische toepassingen. Een verandering in pariteit (een overgang van een oneven naar een even getal of omgekeerd) kan bijvoorbeeld aangeven dat een fout de kwantumtoestand heeft beïnvloed en dat correctie nodig is. Hierbij is het natuurlijk essentieel dat de te corrigeren toestand niet wordt vernietigd.

Voordat een implementatie van dergelijke foutcorrectieschema's mogelijk is, is echter verdere verfijning van het hybride systeem noodzakelijk, met name om de betrouwbaarheid van de bewerkingen te verbeteren. Maar kwantumfoutcorrectie is lang niet het enige gebruik aan de horizon. Er is een overvloed aan opwindende theoretische voorstellen in de wetenschappelijke literatuur voor zowel kwantuminformatieprotocollen als voor fundamentele studies die profiteren van het feit dat de akoestische kwantumtoestanden zich in massieve objecten bevinden. Deze bieden bijvoorbeeld unieke mogelijkheden om de reikwijdte van de kwantummechanica in de limiet van grote systemen te verkennen en de mechanische kwantumsystemen als sensor te benutten. + Verder verkennen

Hoe de grenzen van de kwantummechanica te testen