Физики из Чикагского университета вышли на новый уровень в исследованиях квантовых систем: им удалось установить квантовую связь между двумя массивными акустическими резонаторами. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, расширяют границы наших знаний о квантовых явлениях. Раньше физики работали с отдельными электронами и атомами, теперь же им удалось перенести квантовые эффекты на гораздо более крупные объекты.
Когда две частицы становятся “запутанными”, они начинают вести себя как единое целое, даже если находятся на огромном расстоянии друг от друга. Любое изменение состояния одной частицы мгновенно отражается на состоянии другой. Представьте, что у вас есть две монеты, и когда одна из них выпадает орлом, вторая всегда оказывается решкой – и наоборот. Только в квантовом мире эта связь гораздо сложнее и глубже: частицы существуют во всех возможных состояниях одновременно, пока мы не проведем измерение. Именно это свойство квантовой запутанности лежит в основе многих перспективных технологий.
Команда решила наблюдать за взаимодействием не между отдельными частицами, а между фононами – квантовыми частицами звука внутри резонаторов. “Фонон – это не элементарная частица, а согласованное движение триллионов атомов, действующих как единое целое. Если сравнивать с обычными квантовыми системами, где мы работаем с отдельными электронами, атомами или фотонами, масштаб становится действительно макроскопическим”, – объясняет Хонг Цяо, один из ведущих авторов работы.
В основе исследования лежит работа акустических резонаторов – устройств, способных улавливать и удерживать звуковые колебания определенной частоты. Экспериментальную установку оснастили сверхпроводящими кубитами – квантовыми элементами, которые работают как переводчики, превращая квантовые состояния в колебания звуковых волн и обратно. Система спроектирована так, чтобы можно было легко и точно контролировать и измерять любые преобразования.
Особая конфигурация позволяет добиться уникального состояния, когда колебания в двух резонаторах становятся неразрывно связанными на квантовом уровне. В перспективе такие системы смогут служить базовыми элементами квантовых процессоров, где информация будет передаваться и обрабатываться с помощью звуковых волн, а не электрических сигналов.
До сих пор считалось, что законы квантовой механики работают только на уровне мельчайших частиц, а в привычном нам мире действуют законы классической физики. Новое исследование показывает: граница между этими мирами не такая четкая, как предполагалось ранее.
Разработанная платформа обладает важным преимуществом – ее можно масштабировать. Это значит, что на ее основе возможно создавать более крупные и сложные системы для вычислений.
Следующая задача команды – увеличить время жизни квантовых состояний в резонаторе. Сейчас оно составляет около 300 наносекунд, но ученые планируют довести этот показатель до 100 микросекунд.
“В текущей версии установки механический резонатор сохраняет свои свойства недолго, что ограничивает возможности системы”, – поясняет Чоу. “Мы уже наметили следующий шаг: попробуем улучшить этот параметр. В квантовой акустике существуют различные конфигурации устройств, которые позволяют достичь нужного времени жизни. В первом эксперименте мы намеренно не усложняли систему этими элементами”.
Увеличение времени жизни квантовых состояний – ключевой момент для практического применения технологии. Чем дольше сохраняется квантовая связь между объектами, тем более сложные операции можно выполнять. Это особенно важно для создания систем квантовой связи и распределенных вычислений – основы будущих квантовых сетей.