Новый подход к реализации квантово-механического сжатия

Новости сегодня - Новый подход к реализации квантово-механического сжатия

Механические системы очень подходят для реализации таких приложений, как квантовая обработка информации, квантовое зондирование и бозонное квантовое моделирование. Однако эффективное использование этих систем для этих приложений зависит от возможности манипулировать ими уникальными способами, в частности, «сжимая» их состояния и вводя нелинейные эффекты в квантовый режим.

Исследовательская группа в ETH Zurich под руководством доктора Маттео Фаделя недавно представила новый подход к реализации квантового сжатия в нелинейном механическом осцилляторе. Этот подход, изложенный в статье, опубликованной в Nature Physics , может иметь интересные последствия для развития квантовой метрологии и сенсорных технологий.

«Изначально нашей целью было подготовить механическое сжатое состояние, а именно квантовое состояние движения с уменьшенными квантовыми флуктуациями вдоль одного направления фазового пространства», — рассказал Фадель Phys.org. «Такие состояния важны для приложений квантового зондирования и квантового моделирования. Они являются одним из вентилей в универсальном наборе вентилей для квантовых вычислений с системами с непрерывными переменными — то есть механическими степенями свободы, электромагнитными полями и т. д., в отличие от кубитов, которые являются системами с дискретными переменными».

Проводя свои эксперименты и пытаясь достичь все большего количества сжатия, Фадель и его коллеги поняли, что после определенного порога механическое состояние становится не просто более узким (т. е. более сжатым) и более удлиненным. Кроме того, они обнаружили, что состояние начало скручиваться/закручиваться вокруг себя, следуя схеме, похожей на «S» или даже на «8».

«Мы этого не ожидали, поскольку подготовка негауссовых состояний требует значительных нелинейностей в механическом осцилляторе, поэтому мы были весьма удивлены, но, конечно, и взволнованы», — пояснил Фадель.

«Типичные механические нелинейности чрезвычайно малы, а типичные связи между механическими осцилляторами и световыми/микроволновыми полями также линейны. Однако было легко понять, что в нашем устройстве резонатор наследовал часть нелинейности от кубита, с которым он был связан».

Исследователи обнаружили, что нелинейности, унаследованные резонатором, были довольно сильными, что привело к завораживающему эффекту, который они наблюдали. В своей недавней статье они продемонстрировали этот новый подход к реализации квантового сжатия в этой нелинейной механической системе.

Система, используемая в экспериментах команды, состоит из сверхпроводящего кубита, соединенного с механическим резонатором через диск из пьезоэлектрического материала. Связь между этими двумя системами приводит к эффективной нелинейности резонатора.

«Когда к системе применяется двухтональное возбуждение на правильных частотах, f 1 +f 2 =2*f m (где f 1 и f 2 — двухтональные частоты возбуждения, а f m — частота механической моды), происходит параметрический процесс: два микроволновых фотона на частотах f 1 и f 2 от возбуждения преобразуются в пару фононов на частоте f m механики», — сказал Фадель.

«Это очень похоже на процесс параметрического преобразования в оптике, где световые поля направляются в нелинейный кристалл, который генерирует сжатие таким же образом, как я описал».

Новый подход к реализации механического сжатия, представленный этой группой исследователей, может вскоре открыть новые возможности для исследований и разработки квантовых устройств. В своих экспериментах Фадель и его коллеги также использовали свой подход для демонстрации подготовки негауссовых состояний движения и подтвердили, что их механический резонатор демонстрирует настраиваемую нелинейность.

«Примечательно, что нелинейность, которую мы наблюдали в нашем резонаторе, является настраиваемой, поскольку она зависит от разницы между частотами кубита и резонатора, которую можно контролировать в ходе эксперимента», — сказал Фадель.

«Реализация сжатых состояний имеет важные приложения для квантовой метрологии и обработки квантовой информации с использованием непрерывных переменных. Негауссовские состояния также могут использоваться в качестве ресурса для задач квантовой информации и для фундаментальных исследований квантовой механики».

В своих будущих исследованиях Фадель надеется продолжить изучение возможности реализации механического квантового симулятора на основе подхода, представленного в этой недавней статье. В частности, этот симулятор мог бы использовать возможность независимой адресации и управления десятками бозонных мод в акустических резонаторах команды.

«Наши устройства также могли бы найти интересное применение в квантово-усиленном измерении сил, гравитационных волн и даже в тестах фундаментальной физики», — добавил Фадель. «Недавно в последующей работе мы показали, что механическая нелинейность может быть настолько сильной, что позволяет нам реализовать механический кубит».

Новости партнеров: