Подобно дирижерам жуткой симфонии, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) «запутали» два маленьких механических барабана и точно измерили их связанные квантовые свойства. Подобные пары когда-нибудь смогут выполнять вычисления и передавать данные в крупномасштабных квантовых сетях, говорится в статье на официальном сайте NIST.
Команда NIST использовала микроволновые импульсы, чтобы спровоцировать два крошечных алюминиевых барабана квантовой версией линди-хопа. Исследователи проанализировали радиолокационные сигналы, чтобы убедиться, что шаги двух барабанов образуют некий узор — дуэт, который был бы невозможен в повседневном классическом мире.
Квантовая механика изначально задумывалась как свод правил для света и материи на атомных масштабах. Однако в последние годы исследователи показали, что те же правила могут применяться ко все более крупным объектам — таким, как барабаны. Их возвратно-поступательное движение делает их типом системы, известной как механический осциллятор. Впервые такие системы появились в NIST около десяти лет назад, и в этом случае механическими элементами были отдельные атомы.
С тех пор исследовательская группа Teufel демонстрирует квантовый контроль над барабанными алюминиевыми мембранами, подвешенными над сапфировыми матами. По квантовым стандартам барабаны NIST массивные, шириной 20 микрометров, длиной 14 микрометров и толщиной 100 нанометров. Каждый из них весит около 70 пикограмм, что соответствует примерно 1 трлн атомов.
Барабанная установка NIST подключена к электрической цепи и помещена в криогенно охлаждаемую полость. Когда применяется микроволновый импульс, электрическая система взаимодействует с барабанами и контролирует их работу, а они могут поддерживать такие квантовые состояния, как запутывание в течение примерно миллисекунды — долгое время в квантовом мире.
Для экспериментов исследователи применили 2 одновременных микроволновых импульса для охлаждения барабанов, еще 2 импульса для запутывания барабанов и 2 — для усиления и записи сигналов, представляющих квантовые состояния двух барабанов. Состояния кодируются в отраженном микроволновом поле, подобно радару. Исследователи сравнили отражения с исходным микроволновым импульсом, чтобы определить положение и импульс каждого барабана.
Чтобы охладить барабаны, исследователи применили импульсы с частотой ниже собственных колебаний полости. Как и в эксперименте 2011 года, барабанные дроби преобразовывали приложенные фотоны в более высокую частоту резонатора. Эти фотоны просачивались из полости по мере ее заполнения. Каждый уходящий фотон забирал с собой одну механическую единицу энергии (один фонон или один квант) от движения барабана. Это позволило избавиться от большей части движения барабана, связанного с нагревом.
Для запутывания фононных пар решающее значение имела длительность импульсов. Исследователи обнаружили, что микроволновые импульсы должны длиться более 4 микросекунд, в идеале 16,8 микросекунд. По словам ученых, за это время сцепление становится сильнее, и движение каждого барабана увеличивается из-за движения в унисон.
Исследователи искали закономерности в возвращаемых сигналах или данных радара. Нанесение результатов на график выявило необычные закономерности, свидетельствующие о запутанности барабанов. Чтобы быть уверенным, исследователи провели эксперимент 10 тысяч раз и применили статистический тест для расчета корреляции между различными наборами результатов, такими как положение двух барабанов.
