Мост между мирами: запутывание механических узлов с разными частотами
Контекст
Квантовые сети обещают объединить процессоры, датчики и каналы связи в единую инфраструктуру. Но узлы такой сети не обязаны быть одинаковыми: одни лучше хранят информацию, другие быстрее её обрабатывают. Механические осцилляторы — привлекательные кандидаты на роль узлов, поскольку их частоты можно менять в широких пределах при изготовлении. Высокочастотные гигагерцевые резонаторы устойчивы к тепловому шуму и удобны для интерфейсов с микроволновой электроникой. Низкочастотные мегагерцевые резонаторы обладают долгим временем когерентности и подходят для хранения квантовых состояний. Однако соединить такие разнородные узлы запутанностью до сих пор не удавалось: слишком велик разрыв в частотах. Работа стоит среди исследований по распределению запутанности в оптомеханических сетях, но соседние работы обычно рассматривают узлы с близкими частотами.
Методы
Авторы построили теоретическую модель из двух оптомеханических систем, соединённых оптическим волноводом. Первая система содержит мегагерцевый механический резонатор и оптическую моду с дисперсионной связью. Вторая — гигагерцевый резонатор и две оптические моды, взаимодействующие через тройной резонанс, вызванный рассеянием Бриллюэна. В первой схеме сильная красная отстройка лазера охлаждает мегагерцевый резонатор и одновременно запутывает его с оптической модой. Затем это запутанное состояние через волновод передаётся во вторую систему, где резонансная накачка активирует перенос состояния на гигагерцевый механический узел. Во второй схеме короткий синий лазерный импульс создаёт двухмодовое сжатое состояние между гигагерцевым резонатором и оптическим импульсом. После прохождения по волноводу красный импульс в удалённой системе переносит это состояние на мегагерцевый резонатор. Для анализа использовали уравнения Ланжевена и ковариационные матрицы, а запутанность оценивали логарифмической отрицательностью.
Результаты
Первая схема демонстрирует устойчивую запутанность между оптической модой и мегагерцевым резонатором при эффективной связи около 3 МГц. Эта запутанность успешно переносится на гигагерцевый узел, причём величина логарифмической отрицательности достигает значений, сравнимых с исходной. Численный анализ показал, что запутанность наиболее сильна вблизи боковой полосы преобразования частоты вниз. Вторая схема с импульсным протоколом позволяет получить запутанность между механическими узлами, разделёнными волноводом с потерями. При параметре сжатия r=2.18 и эффективности переноса состояния W=0.95 запутанность сохраняется даже при потерях до 50%. Авторы оценили, что при типичных потерях в оптоволокне 0.2 дБ/км расстояние между узлами может составлять десятки километров. Обе схемы работоспособны при криогенных температурах порядка 10 мК, достижимых в современных экспериментах.
Значение
Работа впервые показывает, как связать запутанностью механические узлы с частотами, различающимися на три порядка. В отличие от соседних исследований, где узлы были одинаковыми или близкими по частоте, здесь предложен конкретный механизм переноса запутанности между мегагерцевым и гигагерцевым диапазонами. Это расширяет инструментарий гибридных квантовых сетей: теперь можно комбинировать долгоживущие низкочастотные резонаторы для хранения с высокочастотными для быстрой обработки. Схема с импульсами дополнительно показывает, что запутанность можно распределять на большие расстояния, преодолевая потери в волокне.
Развитие
Возможное развитие включает экспериментальную реализацию предложенных схем на существующих оптомеханических платформах, таких как оптомеханические кристаллы и микрорезонаторы. Потребуется точная настройка лазерных импульсов и контроль тепловых шумов. Дальнейшие теоретические работы могут учесть неидеальности детектирования и нелинейные эффекты. Также интересно распространить подход на большее число узлов и на сети с квантовыми повторителями.
Влияние
Результаты могут повлиять на развитие гибридных квантовых сетей, квантовой памяти и интерфейсов между микроволновыми и оптическими сигналами. Они также открывают путь к фундаментальным тестам квантовой механики на макроскопических объектах с разными массами и частотами.
Следующие шаги
Ближайший шаг — экспериментальная демонстрация переноса запутанности между мегагерцевым и гигагерцевым резонаторами в одной лаборатории. Затем можно переходить к проверке схемы на расстоянии с реальным оптоволокном.
Ключевые проблемы
В оптомеханике остаётся нерешённой проблема масштабирования запутанности на большое число механических узлов. Данная работа решает частную задачу связи двух узлов с разными частотами, но не затрагивает вопросы многоузловых сетей и устойчивости к декогеренции. Следующей крупной задачей станет создание квантового повторителя на основе механических осцилляторов, способного хранить запутанность и очищать её от шума.
Механические резонаторы, используемые в таких экспериментах, могут быть размером с человеческий волос, но при этом вести себя как квантовые объекты. Их колебания охлаждают до основного состояния, где тепловое движение почти полностью исчезает.
Идея квантовой сети, объединяющей механические осцилляторы, напоминает «ансибль» из романов Урсулы Ле Гуин — устройство мгновенной связи, основанное на запутанности. Правда, в реальности передача информации всё равно ограничена скоростью света.
Ключевые числа
- частотный разрыв между узлами: от 10 МГц до 8,2 ГГц
- температура эксперимента: 10 мК
- эффективная оптомеханическая связь: 3 МГц
- потери в оптоволокне: 0,2 дБ/км
- параметр сжатия во второй схеме: r = 2,18