Correlaciones cuánticas entre osciladores mecánicos mediante interferometría SU(1,1)
Contexto
El trabajo está en un rincón apartado del mapa de las correlaciones cuánticas: cerca solo hay un estudio sobre el entrelazamiento como geometría, y los demás vecinos quedan lejos. Ya se sabe crear entrelazamiento entre osciladores nanomecánicos, pero las correlaciones más fuertes que el entrelazamiento, es decir, el steering, todavía no se habían observado en variables continuas. Este trabajo llena ese hueco con una plataforma de circuit quantum acoustodynamics con dos resonadores y un cúbit.
Métodos
Dos resonadores de ondas acústicas de volumen (HBAR) de nitruro de aluminio sobre zafiro están conectados a un cúbit transmon. Dos tonos de microondas cuyas frecuencias cumplen la condición ω1+ω2=ωa+ωb excitan paramétricamente el cúbit, lo que a través de la no linealidad genera una compresión efectiva de dos modos entre los modos de fonones. Para detectar las correlaciones se implementó un interferómetro SU(1,1): la primera compresión prepara el estado y la segunda, con un desfase, lo lee mediante la medición de la población de fonones. La calibración de la velocidad de compresión se hizo a partir del aumento del número medio de fonones, y la fase del interferómetro se ajustó para el mínimo del criterio EPR.
Resultados
Se midió el criterio de EPR steering E(φ), que bajó por debajo de 1 en tTMS2≈11 μs. El mínimo llegó a 0.90 con una confianza del 99% para la dirección B→A y del 98% para A→B, lo que significa steering bidireccional. Cada oscilador tiene una masa efectiva de unos 16 μg, equivalente a aproximadamente $10^{17}$ átomos. Las franjas de interferencia mostraron sensibilidad a la fase, y la comparación con la referencia de vacío confirmó la naturaleza cuántica de las correlaciones.
Implicaciones
A diferencia de los trabajos vecinos, que estudiaban el entrelazamiento o la geometría, aquí se demuestran por primera vez correlaciones más fuertes que el entrelazamiento en variables continuas para sistemas mecánicos macroscópicos. Esto amplía el instrumental de circuit quantum acoustodynamics y muestra que los efectos cuánticos se conservan a la escala de $10^{17}$ átomos. El resultado es importante para poner a prueba la frontera entre el mundo cuántico y el clásico.
Desarrollo futuro
Es posible la teleportación cuántica de estados continuos de movimiento entre osciladores mecánicos, así como la creación de redes cuánticas con nodos mecánicos. El desarrollo de métodos de control de los modos de fonones en HBAR permitirá realizar computación cuántica bosónica y simulaciones de química cuántica. Potencialmente, el steering puede usarse para criptografía cuántica unidireccional con claves mecánicas.
Impacto
Comunicación cuántica, computación cuántica, mediciones de precisión.
Próximos pasos
Aumentar el grado de compresión y reducir las pérdidas para una violación más fuerte del criterio. Implementar la teleportación de un estado cuántico entre dos osciladores.
Problemas abiertos clave
Para la acústica cuántica sigue abierta la pregunta sobre la escala máxima de cuanticidad macroscópica y sobre el papel de la decoherencia en estos sistemas. El trabajo vincula directamente las correlaciones cuánticas con la pérdida de coherencia, algo importante para entender la transición al comportamiento clásico.
La masa de cada oscilador, 16 microgramos, es comparable a la de un grano de sal, y las correlaciones entre ellos son más fuertes de lo que permite cualquier modelo clásico.
La idea del entrelazamiento cuántico de objetos macroscópicos aparece en el relato de Ted Chiang «La historia de tu vida», donde la percepción no lineal del tiempo se relaciona con la no localidad cuántica.
Cifras clave
- masa del oscilador: 16 μg
- número de átomos en el oscilador: ~1017
- confianza del steering B→A: 99%
- confianza del steering A→B: 98%
- velocidad de compresión gTMS: hasta 20 kHz