ارتباطات كمومية بين مذبذبات ميكانيكية عبر تداخل SU(1,1)
السياق
يقف هذا العمل في طرف خريطة الارتباطات الكمومية: فليس بجواره سوى عمل واحد عن التشابك الكمومي بوصفه هندسة، أما الجيران الآخرون فبعيدون. وقد صار الباحثون قادرين على إنتاج التشابك بين مذبذبات نانوميكانيكية، لكن الارتباطات الأقوى من التشابك، أي التوجيه (steering)، في المتغيرات المستمرة لم تُرصد حتى الآن. ويسدّ هذا العمل تلك الثغرة مستعيناً بمنصة الديناميكا الصوتية الكمومية الدائرية (circuit quantum acoustodynamics) ذات المرنانين والكيوبت.
المنهجية
يتصل مرنان من موجات صوتية حجمية (HBAR) من نتريد الألومنيوم على الياقوت بكيوبت ترانسومون. ويثير نغمان ميكروويان تردداهما يحققان الشرط ω1+ω2=ωa+ωb الكيوبت بارامترياً، فيولّد ذلك عبر اللاخطية انضغاطاً ثنائي النمط فعّالاً بين نمطي الفونونات. ولرصد الارتباطات نُفّذ مقياس تداخل SU(1,1): فالانضغاط الأول يهيّئ الحالة، والثاني مع إزاحة طورية يقرؤها عبر قياس تعداد الفونونات. وقد جرى معايرة معدل الانضغاط من نمو متوسط عدد الفونونات، بينما ضُبط طور مقياس التداخل عند الحد الأدنى لمعيار EPR.
النتائج
قيس معيار التوجيه EPR E(φ)، الذي هبط دون 1 عند tTMS2≈11 ميكروثانية. وبلغ الحد الأدنى 0.90 بموثوقية 99% للاتجاه B→A و98% للاتجاه A→B، ما يعني توجيهاً ثنائي الاتجاه. ولكل مذبذب كتلة فعّالة نحو 16 ميكروغراماً، أي ما يعادل $10^{17}$ ذرة تقريباً. وأظهرت أهداب التداخل حساسية طورية، كما أكدت المقارنة مع قراءة الفراغ الطبيعة الكمومية للارتباطات.
الأهمية
على خلاف الأعمال المجاورة التي درست التشابك أو الهندسة، تُبرز هذه النتائج لأول مرة في الأنظمة الميكانيكية العيانية ارتباطات أقوى من التشابك في المتغيرات المستمرة. وهذا يوسّع أدوات الديناميكا الصوتية الكمومية الدائرية، ويبيّن أن التأثيرات الكمومية تبقى محفوظة على مقياس $10^{17}$ ذرة. وللنتيجة أهمية في اختبار الحد الفاصل بين العالمين الكمومي والكلاسيكي.
التطور المستقبلي
يُحتمل تحقيق النقل الكمومي للحالات المستمرة للحركة بين مذبذبات ميكانيكية، وكذلك بناء شبكات كمومية بعُقد ميكانيكية. وسيتيح تطوير طرائق التحكم في نمطي الفونونات داخل HBAR تنفيذ الحوسبة الكمومية البوزونية ومحاكاة الكيمياء الكمومية. ويمكن في المستقبل استخدام التوجيه في التشفير الكمومي أحادي الاتجاه بمفاتيح ميكانيكية.
التأثير
الاتصال الكمومي، الحوسبة الكمومية، القياسات الدقيقة.
الخطوات التالية
زيادة درجة الانضغاط وتقليل الفقد لتحقيق خرق أقوى للمعيار. وتنفيذ النقل الكمومي للحالة بين مذبذبين.
المسائل المفتوحة الرئيسية
يبقى في الصوتيات الكمومية سؤال مفتوح عن أقصى مقياس للكمومية العيانية وعن دور فقدان التماسك في مثل هذه الأنظمة. ويربط العمل ارتباطاً مباشراً بين الارتباطات الكمومية وفقدان التماسك، وهو أمر مهم لفهم الانتقال إلى السلوك الكلاسيكي.
كتلة كل مذبذب 16 ميكروغراماً، وهي مقارِبة لكتلة حبة ملح، ومع ذلك فإن الارتباطات بينهما أقوى مما تسمح به أي نموذج كلاسيكي.
تتناول رواية تيد تشان «قصة حياتك» فكرة التشابك الكمومي بين الأجسام العيانية، حيث يرتبط الإدراك اللاخطي للزمن باللاموضعية الكمومية.
أرقام رئيسية
- كتلة المذبذب: 16 ميكروغرام
- عدد الذرات في المذبذب: ~1017
- موثوقية التوجيه B→A: 99%
- موثوقية التوجيه A→B: 98%
- معدل الانضغاط gTMS: حتى 20 كيلوهرتز