Физици пренесоха квантовото заплитане на макроравнище

Физици от Чикагския университет достигнаха ново ниво в изучаването на квантовите системи: те успяха да установят квантова връзка между два масивни акустични резонатора. Резултатите от експеримента, публикувани в списание Nature Communications разширяват границите на познанията ни за квантовите явления. Досега физиците са работили с отделни електрони и атоми, но сега те са успели да прехвърлят квантовите ефекти върху много по-големи обекти.

Когато две частици се „заплетат“, те започват да се държат като едно цяло, дори ако са на огромно разстояние една от друга. Всяка промяна в състоянието на едната частица незабавно се отразява в състоянието на другата.

Представете си, че имате две монети и когато едната от тях е ези, другата винаги се оказва тура – и обратното. В квантовия свят обаче тази връзка е много по-сложна и по-дълбока: частиците съществуват едновременно във всички възможни състояния, докато не бъде направено измерване. Именно това свойство на квантовото заплитане е в основата на много обещаващи технологии.

Екипът решава да наблюдава взаимодействията не между отделни частици, а между фонони – квантови звукови частици в резонатори.

„Фононът не е елементарна частица, а координирано движение на трилиони атоми, които действат като едно цяло. В сравнение с конвенционалните квантови системи, в които работим с отделни електрони, атоми или фотони, мащабът става наистина макроскопичен.“

обяснява Хонг Кяо, един от водещите автори на статията

Изследването се основава на работата на акустичните резонатори – устройства, които могат да улавят и задържат звукови вибрации с определена честота. Експерименталната уредба е оборудвана със свръхпроводящи кюбити – квантови елементи, които работят като транслатори, превръщайки квантовите състояния във вибрации на звукови вълни и обратно. Системата е проектирана така, че всички трансформации да могат лесно и точно да се наблюдават и измерват.

Специалната конфигурация позволява да се постигне уникално състояние, при което трептенията в два резонатора стават неразделни на квантово ниво. В бъдеще подобни системи могат да служат като основни елементи на квантови процесори, в които информацията ще се предава и обработва с помощта на звукови вълни, а не на електрически сигнали.

Досега се смяташе, че законите на квантовата механика действат само на нивото на най-малките частици, а в света сме свикнали със законите на класическата физика. Новото изследване показва, че границата между тези светове не е толкова ясна, колкото се смяташе досега. Разработената платформа има едно важно предимство – тя е мащабируема. Това означава, че на нейна основа е възможно да се създават по-големи и по-сложни системи за изчисления.

Следващата задача пред екипа е да увеличи продължителността на живота на квантовите състояния в резонатора. В момента тя е около 300 наносекунди, но учените планират да доведат тази стойност до 100 микросекунди.

„В настоящата версия на конфигурацията механичният резонатор запазва свойствата си за кратко време, което ограничава възможностите на системата. Вече сме набелязали следващата стъпка: ще се опитаме да подобрим този параметър. В квантовата акустика има различни конфигурации на устройствата, които могат да постигнат желаното време на живот. В първия експеримент ние умишлено не усложнихме системата с тези елементи“.

обяснява Чоу

Увеличаването на продължителността на живота на квантовите състояния е ключов момент за практическото приложение на технологията. Колкото по-дълго се запазва квантовото заплитане между обектите, толкова по-сложни операции могат да се извършват. Това е особено важно за създаването на квантови комуникационни системи и разпределени изчисления – основата на бъдещите квантови мрежи.