Onderzoekers van Stanford University hebben een belangrijk experimenteel apparaat ontwikkeld voor toekomstige op kwantumfysica gebaseerde technologieën dat een pagina leent van huidige, alledaagse mechanische apparaten.

Betrouwbare, compacte, duurzame en efficiënte akoestische apparaten maken gebruik van mechanische beweging om nuttige taken uit te voeren. Een goed voorbeeld van zo'n apparaat is de mechanische oscillator. Wanneer ze bijvoorbeeld worden verplaatst door een krachtachtig geluid, beginnen onderdelen van het apparaat heen en weer te bewegen over hun oorspronkelijke positie. Het maken van deze periodieke beweging is een handige manier om de tijd bij te houden, signalen te filteren en beweging te voelen in alomtegenwoordige elektronica, waaronder telefoons, computers en horloges.

Onderzoekers hebben geprobeerd de voordelen van mechanische systemen terug te brengen naar de extreem kleine schaal van het mysterieuze kwantumrijk, waar atomen subtiel op elkaar inwerken en zich op contra-intuïtieve manieren gedragen. Daartoe hebben Stanford-onderzoekers onder leiding van Amir Safavi-Naeini nieuwe mogelijkheden gedemonstreerd door kleine nanomechanische oscillatoren te koppelen aan een type circuit dat energie kan opslaan en verwerken in de vorm van een qubit of kwantum "bit" aan informatie. Met behulp van de qubit van het apparaat kunnen de onderzoekers de kwantumtoestand van mechanische oscillatoren manipuleren en het soort kwantummechanische effecten genereren die ooit geavanceerde computer- en ultranauwkeurige detectiesystemen mogelijk zouden kunnen maken.

"Met dit apparaat hebben we een belangrijke volgende stap laten zien bij het bouwen van kwantumcomputers en andere nuttige kwantumapparaten op basis van mechanische systemen", zegt Safavi-Naeini, universitair hoofddocent bij de afdeling Toegepaste Natuurkunde aan Stanford's School of Humanities en Wetenschappen. Safavi-Naeini is senior auteur van een nieuwe studie die op 20 april is gepubliceerd in het tijdschrift Nature het beschrijven van de bevindingen. "We zijn in wezen op zoek naar 'mechanische kwantummechanische' systemen", zei hij.

Kwantumeffecten op computerchips verzamelen

De gezamenlijke eerste auteurs van de studie, Alex Wollack en Agnetta Cleland, beide Ph.D. kandidaten bij Stanford, leidden de inspanningen om deze nieuwe op mechanica gebaseerde kwantumhardware te ontwikkelen. Met behulp van de Stanford Nano Shared Facilities op de campus werkten de onderzoekers in cleanrooms terwijl ze gekleed waren in de lichaamsbedekkende witte "konijnenpakken" die werden gedragen in fabrieken voor de productie van halfgeleiders om te voorkomen dat onzuiverheden de gevoelige materialen in het spel besmetten.

Met gespecialiseerde apparatuur fabriceerden Wollack en Cleland hardwarecomponenten met resoluties op nanometerschaal op twee siliciumcomputerchips. De onderzoekers plakten vervolgens de twee chips aan elkaar zodat de componenten op de onderste chip tegenover die op de bovenste helft stonden, in sandwichstijl.

Op de onderste chip hebben Wollack en Cleland een supergeleidend circuit van aluminium gemaakt dat de qubit van het apparaat vormt. Door microgolfpulsen naar dit circuit te sturen, worden fotonen (lichtdeeltjes) gegenereerd die een qubit aan informatie in het apparaat coderen. In tegenstelling tot conventionele elektrische apparaten, die bits opslaan als spanningen die ofwel een 0 of een 1 vertegenwoordigen, kunnen qubits in kwantummechanische apparaten ook gelijktijdig gewogen combinaties van 0 en 1 vertegenwoordigen. Dit komt door het kwantummechanische fenomeen dat bekend staat als superpositie, waarbij een kwantumsysteem in meerdere kwantumtoestanden tegelijk bestaat totdat het systeem wordt gemeten.

"De manier waarop de werkelijkheid werkt op het kwantummechanische niveau is heel anders dan onze macroscopische ervaring van de wereld", zei Safavi-Naeini.

De bovenste chip bevat twee nanomechanische resonatoren gevormd door zwevende, brugachtige kristalstructuren van slechts enkele tientallen nanometers - of miljardsten van een meter - lang. De kristallen zijn gemaakt van lithiumniobaat, een piëzo-elektrisch materiaal. Materialen met deze eigenschap kunnen een elektrische kracht omzetten in beweging, wat in het geval van dit apparaat betekent dat het elektrische veld dat door het qubit-foton wordt overgebracht, wordt omgezet in een kwantum (of een enkele eenheid) van trillingsenergie die een fonon wordt genoemd.

"Net als lichtgolven, die worden gekwantiseerd tot fotonen, worden geluidsgolven gekwantiseerd tot 'deeltjes' die fononen worden genoemd," zei Cleland, "en door de energie van deze verschillende vormen in ons apparaat te combineren, creëren we een hybride kwantumtechnologie die de voordelen benut van beide."

Door het genereren van deze fononen kon elke nanomechanische oscillator werken als een register, wat het kleinst mogelijke gegevenshoudende element in een computer is, en waarbij de qubit de gegevens levert. Net als de qubit kunnen de oscillatoren dienovereenkomstig ook in een superpositietoestand zijn - ze kunnen tegelijkertijd zowel aangeslagen zijn (wat staat voor 1) als niet aangeslagen (wat staat voor 0). Het supergeleidende circuit stelde de onderzoekers in staat om de gegevens die in de registers zijn opgeslagen voor te bereiden, uit te lezen en te wijzigen, conceptueel vergelijkbaar met hoe conventionele (niet-kwantum) computers werken.

"De droom is om een ​​apparaat te maken dat op dezelfde manier werkt als silicium computerchips, bijvoorbeeld in je telefoon of op een USB-stick, waar registers bits opslaan", zegt Safavi-Naeini. "En hoewel we nog geen kwantumbits op een USB-stick kunnen opslaan, laten we hetzelfde zien met mechanische resonatoren."

Gebruik maken van verstrengeling

Naast superpositie maakte de verbinding tussen de fotonen en resonatoren in het apparaat verder gebruik van een ander belangrijk kwantummechanisch fenomeen dat verstrengeling wordt genoemd. Wat verstrengelde toestanden zo contra-intuïtief maakt, en ook notoir moeilijk te creëren in het lab, is dat de informatie over de toestand van het systeem over een aantal componenten wordt verdeeld. In deze systemen is het mogelijk om alles te weten over twee deeltjes samen, maar niets over een van de afzonderlijk waargenomen deeltjes. Stel je twee munten voor die op twee verschillende plaatsen worden omgedraaid, en waarvan wordt waargenomen dat ze met gelijke waarschijnlijkheid willekeurig als kop of munt landen, maar wanneer metingen op de verschillende plaatsen worden vergeleken, zijn ze altijd gecorreleerd; dat wil zeggen, als een munt als munt landt, zal de andere munt gegarandeerd als kop landen.

De manipulatie van meerdere qubits, allemaal in superpositie en verstrengeld, is de een-tweetje die de berekening en detectie mogelijk maakt in gewilde op kwantum gebaseerde technologieën. "Zonder superpositie en veel verstrengeling kun je geen kwantumcomputer bouwen", zegt Safavi-Naeini.

Om deze kwantumeffecten in het experiment aan te tonen, genereerden de Stanford-onderzoekers een enkele qubit, opgeslagen als een foton in het circuit op de onderste chip. Het circuit mocht vervolgens energie uitwisselen met een van de mechanische oscillatoren op de bovenste chip voordat de resterende informatie naar het tweede mechanische apparaat werd overgebracht. Door op deze manier energie uit te wisselen - eerst met één mechanische oscillator en vervolgens met de tweede oscillator - gebruikten de onderzoekers de schakeling als een hulpmiddel om de twee mechanische resonatoren kwantummechanisch met elkaar te verstrengelen.

"De bizarheid van de kwantummechanica is hier volledig zichtbaar", zei Wollack. "Niet alleen komt geluid in afzonderlijke eenheden, maar een enkel deeltje geluid kan worden gedeeld tussen de twee verstrengelde macroscopische objecten, elk met biljoenen atomen die in overleg bewegen - of niet bewegen."

Om uiteindelijk praktische berekeningen uit te voeren, zou de periode van aanhoudende verstrengeling, of coherentie, aanzienlijk langer moeten zijn - in de orde van seconden in plaats van de fracties van seconden die tot nu toe zijn bereikt. Superpositie en verstrengeling zijn beide zeer delicate omstandigheden, kwetsbaar voor zelfs kleine verstoringen in de vorm van warmte of andere energie, en geven daarom voorgestelde kwantumdetectieapparaten een uitstekende gevoeligheid. Maar Safavi-Naeini en zijn co-auteurs geloven dat langere coherentietijden gemakkelijk haalbaar zijn door de fabricageprocessen aan te scherpen en de betrokken materialen te optimaliseren.

"We hebben de prestaties van ons systeem de afgelopen vier jaar met bijna tien keer per jaar verbeterd", zegt Safavi-Naeini. "In de toekomst zullen we concrete stappen blijven zetten in de richting van het bedenken van kwantummechanische apparaten, zoals computers en sensoren, en de voordelen van mechanische systemen in het kwantumdomein brengen." + Verder verkennen

Natuurkundigen tellen geluidsdeeltjes met kwantummicrofoon