Duo de batterie quantique mesuré –

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  • Comme les chefs d’orchestre d’une symphonie effrayante, les chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont «emmêlé» deux petits tambours mécaniques et mesuré avec précision leurs propriétés quantiques liées. Des paires enchevêtrées comme celle-ci pourraient un jour effectuer des calculs et transmettre des données dans des réseaux quantiques à grande échelle.

    L’équipe du NIST a utilisé des impulsions micro-ondes pour attirer les deux minuscules tambours en aluminium dans une version quantique du Lindy Hop, avec un partenaire sautillant dans un modèle froid et calme tandis que l’autre tremblait un peu plus. Les chercheurs ont analysé des signaux de type radar pour vérifier que les pas des deux tambours formaient un motif enchevêtré – un duo qui serait impossible dans le monde classique de tous les jours.

    Ce qui est nouveau, ce n’est pas tant la danse elle-même, mais la capacité des chercheurs à mesurer les battements de tambour, montant et descendant de seulement un quadrillionième de mètre, et à vérifier leur enchevêtrement fragile en détectant de subtiles relations statistiques entre leurs mouvements.

    La recherche est décrite dans le numéro du 7 mai de La science.

    “Si vous analysez indépendamment les données de position et d’élan pour les deux tambours, ils ont chacun l’air tout simplement chaud”, a déclaré le physicien du NIST John Teufel. “Mais en les regardant ensemble, nous pouvons voir que ce qui ressemble à un mouvement aléatoire d’un tambour est fortement corrélé avec l’autre, d’une manière qui n’est possible que par l’intrication quantique.”

    La mécanique quantique a été conçue à l’origine comme le livre de règles de la lumière et de la matière à l’échelle atomique. Cependant, ces dernières années, des chercheurs ont montré que les mêmes règles peuvent s’appliquer à des objets de plus en plus volumineux tels que les tambours. Leur mouvement de va-et-vient en fait un type de système connu sous le nom d’oscillateur mécanique. De tels systèmes ont été empêtrés pour la première fois au NIST il y a une dizaine d’années, et dans ce cas, les éléments mécaniques étaient des atomes uniques.

    Depuis lors, le groupe de recherche de Teufel a démontré le contrôle quantique des membranes en aluminium en forme de tambour suspendues au-dessus de tapis en saphir. Selon les normes quantiques, les tambours NIST sont massifs, 20 micromètres de large sur 14 micromètres de long et 100 nanomètres d’épaisseur. Ils pèsent chacun environ 70 picogrammes, ce qui correspond à environ 1 billion d’atomes.

    L’enchevêtrement d’objets massifs est difficile car ils interagissent fortement avec l’environnement, ce qui peut détruire des états quantiques délicats. Le groupe de Teufel a développé de nouvelles méthodes pour contrôler et mesurer le mouvement de deux tambours simultanément. Les chercheurs ont adapté une technique démontrée pour la première fois en 2011 pour refroidir un seul tambour en passant de signaux micro-ondes fixes à pulsés pour optimiser séparément les étapes de refroidissement, d’enchevêtrement et de mesure des états. Pour analyser rigoureusement l’intrication, les expérimentateurs ont également travaillé plus étroitement avec les théoriciens, une alliance de plus en plus importante dans l’effort mondial de construction de réseaux quantiques.

    L’ensemble de batterie NIST est connecté à un circuit électrique et enfermé dans une cavité cryogénique. Lorsqu’une impulsion micro-onde est appliquée, le système électrique interagit avec et contrôle les activités des tambours, qui peuvent maintenir des états quantiques comme l’intrication pendant environ une milliseconde, longtemps dans le monde quantique.

    Pour les expériences, les chercheurs ont appliqué deux impulsions micro-ondes simultanées pour refroidir les tambours, deux autres impulsions simultanées pour emmêler les tambours et deux impulsions finales pour amplifier et enregistrer les signaux représentant les états quantiques des deux tambours. Les états sont codés dans un champ micro-ondes réfléchi, similaire au radar. Les chercheurs ont comparé les réflexions à l’impulsion micro-ondes d’origine pour déterminer la position et l’élan de chaque tambour.

    Pour refroidir les tambours, les chercheurs ont appliqué des impulsions à une fréquence inférieure aux vibrations naturelles de la cavité. Comme dans l’expérience de 2011, les battements de tambour ont converti les photons appliqués à la fréquence plus élevée de la cavité. Ces photons ont fui hors de la cavité lors de son remplissage. Chaque photon partant emportait avec lui une unité mécanique d’énergie – un phonon ou un quantum – du mouvement du tambour. Cela a éliminé la plupart des mouvements du tambour liés à la chaleur.

    Pour créer un enchevêtrement, les chercheurs ont appliqué des impulsions micro-ondes entre les fréquences des deux tambours, supérieures au tambour 1 et inférieures au tambour 2. Ces impulsions ont enchevêtré les phonons du tambour 1 avec les photons de la cavité, générant des paires photon-phonon corrélées. Les impulsions ont également refroidi davantage le tambour 2, les photons sortant de la cavité étant remplacés par des phonons. Ce qui restait était principalement des paires de phonons intriqués partagés entre les deux tambours.

    Pour enchevêtrer les paires de phonons, la durée des impulsions était cruciale. Les chercheurs ont découvert que ces impulsions micro-ondes devaient durer plus de 4 microsecondes, idéalement 16,8 microsecondes, pour enchevêtrer fortement les phonons. Pendant cette période, l’enchevêtrement est devenu plus fort et le mouvement de chaque tambour a augmenté parce qu’ils se déplaçaient à l’unisson, une sorte de renforcement sympathique, a déclaré Teufel.

    Les chercheurs ont recherché des modèles dans les signaux renvoyés ou les données radar. Dans le monde classique, les résultats seraient aléatoires. Le traçage des résultats sur un graphique a révélé des modèles inhabituels suggérant que les tambours étaient enchevêtrés. Pour être sûrs, les chercheurs ont exécuté l’expérience 10 000 fois et ont appliqué un test statistique pour calculer les corrélations entre divers ensembles de résultats, tels que les positions des deux tambours.

    “En gros, nous avons mesuré la corrélation entre deux variables – par exemple, si vous avez mesuré la position d’un tambour, dans quelle mesure pourriez-vous prédire la position de l’autre tambour”, a déclaré Teufel. «S’ils n’ont pas de corrélations et qu’ils sont tous les deux parfaitement froids, vous ne pouvez deviner la position moyenne de l’autre tambour que dans une incertitude d’un demi-quantum de mouvement. Lorsqu’ils sont enchevêtrés, nous pouvons faire mieux, avec moins d’incertitude. la seule façon dont cela est possible. “

    «Pour vérifier que l’intrication est présente, nous faisons un test statistique appelé ‘témoin d’intrication’ ‘, a déclaré le théoricien du NIST Scott Glancy. par la physique classique, nous savons que les tambours ont dû être enchevêtrés. Les signaux radar mesurent la position et l’élan simultanément, mais le principe d’incertitude de Heisenberg dit que cela ne peut pas être fait avec une précision parfaite. Par conséquent, nous payons un coût supplémentaire d’aléa dans nos mesures. Nous gérons cette incertitude en collectant un vaste ensemble de données et en corrigeant l’incertitude lors de notre analyse statistique. “

    Des systèmes quantiques massifs très intriqués comme celui-ci pourraient servir de nœuds de longue durée de réseaux quantiques. Les mesures radar à haute efficacité utilisées dans ce travail pourraient être utiles dans des applications telles que la téléportation quantique – transfert de données sans lien physique – ou l’échange d’enchevêtrement entre les nœuds d’un réseau quantique, car ces applications nécessitent des décisions basées sur des mesures. des résultats d’enchevêtrement. Les systèmes enchevêtrés pourraient également être utilisés dans des tests fondamentaux de mécanique quantique et de détection de force au-delà des limites quantiques standard.

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