30. marts 2020

Kvantesammenfiltring skabt ved hjælp af lys reflekteret fra en vibrerende membran

Kvantenetværk:

Sammenfiltring eller ”entanglement” på engelsk, er en måde at korrelere forskellige kvantesystemer med hinanden. Det er en afgørende vigtig ressource for forbindelsen mellem fremtidige kvantecomputere. Forskere fra Quantum Optomechanics gruppen ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, er for nylig lykkedes med at sammenfiltre to laserstråler, ved at lade dem reflekteres fra den samme mekaniske resonator, en udspændt membran af siliciumnitrid. Eksperimentet repræsenterer en ny måde at sammenfiltre forskelligartede elektromagnetiske felter. Det er særligt succesen med at skabe sammenfiltring mellem optisk lys og mikrobølger, der har perspektiver i forhold til løsningen af en længerevarende udfordring med at skabe forbindelse mellem to adskilte kvantecomputere, som begge primært arbejder med mikrobølger. Resultatet er nu publiceret i Nature Communications.

Membran af siliciumnitrid, 3 x 3 mm. Perforeringen isolerer vibrationen til det centrale felt
Membran af siliciumnitrid, 3 x 3 mm. Perforeringen isolerer vibrationen til det centrale felt

I fremtidens kvante-internet, som udgøres af et net af kvantecomputere, bliver det nødvendigt at kunne dele sammenfiltring mellem flere computere. Deling af data gøres typisk gennem elektromagnetisk sammenkædning – hvor en velkendt teknik er at sende lys gennem optiske fibre. I øjeblikket er et af de mest avancerede kvantesystemer imidlertid baseret på superledende kredsløb, som fungerer ved hjælp af mikrobølger. Yderst avanceret, men ikke desto mindre består den alvorlige udfordring i at lykkes med at forbinde computerne. Mikrobølger kan nemlig ikke ”rejse” særlig langt uden tab, hvilket vil være ødelæggende for løsningen af kvantecomputernes opgaver. En af de teknikker, man arbejder med, er derfor at konvertere mikrobølger til optisk lys, som kan sendes i optiske fibre. De har langt mindre tab, så kommunikation over længere afstande kan opnås. Her opstår et andet problem: Der er meget stor forskel i bølgelængderne på mikrobølger og optisk lys. Mikrobølger måles i millimeter og optisk lys i mikrometer – 1:1000, med andre ord. Derfor er direkte konvertering fortsat en udfordring.

Objekter vibrerer, når de bombarderes med lyspartikler

Når et elektromagnetisk felt, fx en laserstråle, reflekteres fra et vibrerende objekt, kan den detektere eller ”læse” vibrationen. Dette princip anvendes i vid udstrækning i optisk baserede målinger. På den anden side er ethvert elektromagnetisk felt skabt af fotoner, eller små energikugler af lys. Når lyset derfor reflekteres fra det objekt, det bombarderer, fører det til yderligere vibration i membranen. Denne yderligere vibration kaldes kvantemekanisk tilbagevirkning, eller på engelsk, ”quantum backaction”. Går man videre og reflekterer to elektromagnetiske felter fra den samme membran, kan man endda detektere deres interaktion, og man kan gøre det uanset hvilken bølgelængde de har hver især. Her selvfølgelig med tanke på forskellen mellem mikrobølger og optisk lys. Dermed kan interaktionen anvendes til at skabe den ønskede sammenfiltring mellem de to felter, uafhængigt af deres bølgelængder. Selvom kvantemekanisk tilbagevirkning eller ”backaction” kan være en fremtrædende egenskab ved objekter så små som selv et atom, er det først i de senere år lykkedes forskere at fremstille makroskopisk, mekanisk teknik, der er følsomt nok til at detektere effekten.

Ultra sensitivt mekanisk apparatur medierer sammenfiltring

I det nyligt publicerede arbejde anvender forskerne fra Quantum Optomechanics gruppen en 3X3 millimeter stor membran, lavet af siliciumnitrid. Den er perforeret af et mønster af huller, der isolerer vibrationerne til den centrale del af fladen. Det gør membranen følsom nok til at vise kvantemekanisk tilbagevirkning. Forskerne belyser derefter membranen med lys fra to lasere samtidig, hvor den ene ”læser” tilbagevirkning fra den anden og omvendt. Der opstår altså en stærk korrelation og dermed opnås sammenfiltring mellem de to lasere. ”Man kan sige, at de to lasere ’taler sammen’ gennem membranens vibrationer”, siger Junxin Chen, som har arbejdet på projektet gennem sin Ph.d. afhandling, og er en af førsteforfatterne til artiklen. ”Membran-oscillatoren fungerer som et medium, der sikrer interaktionen mellem de to lasere, selvom de to lasere ikke er i stand til at interagere direkte – kun gennem membranen”, siger Junxin Chen videre, ”interaktionen mellem fotonerne og membranen er uafhængig af lysets bølgelængde, og tillader derfor i princippet sammenfiltringen mellem mikrobølger og optisk lys.

Fra venstre: David Mason, Junxin Chen and Massimiliano Rossi i laboratoriet
Fra venstre: David Mason, Junxin Chen and Massimiliano Rossi i laboratoriet

Yderligere eksperimenter er nødvendige, i særdeleshed for at undersøge membranens opførsel ved en temperatur nær det absolutte nulpunkt, som er den temperatur, som superledende kvantecomputere arbejder ved i dag. Disse eksperimenter er i planlægningsfasen på Niels Bohr Institutet.

Den vidneskabelige artikel kan findes her.