Квантовые корреляции между механическими осцилляторами через SU(1,1) интерферометрию
Контекст
Работа стоит на отшибе карты квантовых корреляций: рядом только одна работа про квантовую запутанность как геометрию, остальные соседи далеки. Вокруг уже умеют создавать запутанность между наномеханическими осцилляторами, но корреляции сильнее запутанности, то есть steering, в непрерывных переменных до сих пор не наблюдались. Эта работа заполняет пробел, используя платформу circuit quantum acoustodynamics с двумя резонаторами и кубитом.
Методы
Два резонатора на объёмных акустических волнах (HBAR) из нитрида алюминия на сапфире соединены с трансмоным кубитом. Два микроволновых тона с частотами, удовлетворяющими условию ω1+ω2=ωa+ωb, параметрически возбуждают кубит, что через нелинейность создаёт эффективное двухмодовое сжатие между фононными модами. Для детектирования корреляций реализован SU(1,1) интерферометр: первое сжатие готовит состояние, второе с фазовым сдвигом считывает его через измерение населённости фононов. Калибровка скорости сжатия проводилась по росту среднего числа фононов, а фаза интерферометра настраивалась для минимума критерия EPR.
Результаты
Измерен критерий EPR steering E(φ), который опустился ниже 1 при tTMS2≈11 мкс. Минимум достиг 0.90 с достоверностью 99% для направления B→A и 98% для A→B, что означает двустороннее steering. Каждый осциллятор имеет эффективную массу около 16 мкг, что соответствует примерно $10^{17}$ атомам. Интерференционные полосы показали фазовую чувствительность, а сравнение с вакуумным отсчётом подтвердило квантовую природу корреляций.
Значение
В отличие от соседних работ, где изучали запутанность или геометрию, здесь впервые для макроскопических механических систем продемонстрированы корреляции сильнее запутанности в непрерывных переменных. Это расширяет инструментарий circuit quantum acoustodynamics и показывает, что квантовые эффекты сохраняются на масштабе $10^{17}$ атомов. Результат важен для проверки границы квантового и классического миров.
Развитие
Возможна квантовая телепортация непрерывных состояний движения между механическими осцилляторами, а также создание квантовых сетей с механическими узлами. Развитие методов управления фононными модами в HBAR позволит реализовать бозонные квантовые вычисления и симуляции квантовой химии. Потенциально steering можно использовать для однонаправленной квантовой криптографии с механическими ключами.
Влияние
Квантовая связь, квантовые вычисления, прецизионные измерения.
Следующие шаги
Увеличить степень сжатия и уменьшить потери для более сильного нарушения критерия. Реализовать телепортацию квантового состояния между двумя осцилляторами.
Ключевые проблемы
Для квантовой акустики остаётся открытым вопрос о максимальном масштабе макроскопической квантовости и о роли декогеренции в таких системах. Работа напрямую связывает квантовые корреляции с потерей когерентности, что важно для понимания перехода к классическому поведению.
Масса каждого осциллятора 16 микрограммов сравнима с массой крупинки соли, а корреляции между ними сильнее, чем допускает любая классическая модель.
Идея квантовой запутанности макроскопических объектов обыгрывается в романе Теда Чана «История твоей жизни», где нелинейное восприятие времени связано с квантовой нелокальностью.
Ключевые числа
- масса осциллятора: 16 мкг
- число атомов в осцилляторе: ~1017
- достоверность steering B→A: 99%
- достоверность steering A→B: 98%
- скорость сжатия gTMS: до 20 кГц