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Nov 01, 2023

Demonstração experimental de tempo análogo clássico

Relatórios Científicos volume 12, número do artigo: 22580 (2022) Citar este artigo 2568 Acessos 10 detalhes de métricas altmétricas Um dos conceitos da teoria quântica sobre o qual o processamento de informações quânticas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22580 (2022) Citar este artigo

2568 Acessos

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Um dos conceitos da teoria quântica em que se baseia o processamento de informações quânticas é a superposição. Aqui fornecemos evidências experimentais da existência de análogos clássicos à superposição coerente de estados de energia, o que é possível pela não-linearidade do tipo Hertz dos grânulos juntamente com o campo de condução externo. As vibrações não lineares dos grânulos são projetadas nos modos lineares de vibração, que dependem uns dos outros através da fase e formam uma superposição coerente. Mostramos que as amplitudes dos estados coerentes formam os componentes de um vetor de estado que abrange um espaço de Hilbert bidimensional, e o tempo permite que o sistema amplie seu espaço de Hilbert parametricamente. Assim, a superposição de estados pode ser explorada em cálculos quânticos de dois estados sem decoerência e colapso da função de onda. Finalmente, demonstramos a realização experimental da aplicação de uma porta de Hadamard reversível a um estado base puro que coloca o estado em uma superposição.

A crescente demanda pela ciência da informação quântica (QIS) e pela computação quântica1,2,3,4,5 dita uma análise mais aprofundada do tema e de seus métodos. Um bit quântico (qubit) é o componente essencial do QIS e de um sistema mecânico-quântico de dois estados que pode, mais importante ainda, existir em superposição. Um estado novo e distinto com conexões quantitativas específicas com os dois primeiros estados é referido como uma superposição dos dois anteriores. Além de fornecer superposição de estados, a capacidade de correlação entre os subsistemas por meio do emaranhamento é o que torna os qubits tão poderosos para o processamento de informações. No entanto, devido à rápida capacidade do ambiente de destruir a delicada coerência desses estados, é um desafio criar e observar estados quânticos sobrepostos inicialmente preparados. Como resultado, partículas e alguns objetos microscópicos que foram resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto6,7,8 exibem tal superposição quântica9,10. Por outro lado, a computação quântica topológica (TPC), onde as propriedades topológicas das linhas de mundo das partículas em escala macroscópica são tudo o que importa, usa formas de matéria não-Abelianas para armazenar informações quânticas em um esforço para construir um qubit 11 mais robusto, 12. No entanto, de acordo com o comentário de Frolov na Nature 13, a disputa da partícula Majorana está minando a confiança do campo TPC porque é muito desafiador criar um qubit topológico. ativamente perseguido nas últimas décadas e demonstrado experimentalmente com sucesso em uma variedade de sistemas, incluindo íons aprisionados14, condensados ​​de Bose-Einstein15,16 e sistemas atômicos17. Além disso, ao conduzir o qubit monocromaticamente ou ao detectar a interação de dois fônons entre um oscilador mecânico e um qubit de spin, a superposição quântica macroscópica em um sistema oscilador de qubit também foi explorada. Muito recentemente, Wood et al. sugeriram uma plataforma para criar superposições macroscópicas e um plano para colocar um diamante de 250 nm de diâmetro em uma superposição, a fim de investigar os limites macroscópicos da mecânica quântica .

Perspectivas adicionais para aplicações de QIS e mecânica quântica e avanços tecnológicos são fornecidas pelo estabelecimento de análogos acústicos de fenômenos quânticos21. Um exemplo notável é o campo elástico linear, que demonstrou produzir teórica e experimentalmente superposições coerentes de ondas harmônicas clássicas que são análogas aos estados de spin na mecânica quântica . No entanto, para observar verdadeiros fenômenos quânticos, a não-linearidade do sistema mecânico é necessária. A criação de estados mecânicos não gaussianos com função de Wigner negativa é um exemplo. Foi sugerido que dissipação 23,24,25,26, tunelamento quântico com potencial optomecânico de poço duplo 27,28, inversão periódica de qubits 29, efeitos de interferência quântica 30, medição condicional de campo óptico 31,32,33 e interação modulada de salto de fótons entre dois cavidades em um sistema optomecânico podem produzir estados de superposição macroscópicos não gaussianos. Esses métodos são baseados na interação não linear entre graus de liberdade ópticos e mecânicos. Na mesma direção, na Ref.36, uma geração experimental do estado de superposição macroscópica foi possibilitada pela não linearidade do tipo Kerr, variando a amplitude do campo motriz. Até onde sabemos, entretanto, nenhum trabalho comparável foi feito em sistemas elásticos clássicos não lineares onde a não linearidade foi explorada para criar uma superposição de estados. Uma broca elástica em um sistema clássico não linear pode criar uma superposição de estados que é estável à temperatura ambiente e livre de decoerência. Além disso, uma vez que representa uma amplitude real em vez de uma amplitude de probabilidade, pode ser medida diretamente na ausência de colapso da função de onda. Essas características tornam possível que uma broca elástica seja realizada experimentalmente, fornecendo uma nova maneira revolucionária de atingir alguns dos objetivos da tecnologia da informação quântica utilizando análogos quânticos baseados em materiais. O objetivo do presente estudo é demonstrar experimentalmente a possibilidade de preparar análogos acústicos de estados de superposição em um meio granular acústico não linear e manipular a superposição de estados de Bloch. Mais especificamente, ao conduzir harmonicamente um sistema não linear composto por dois grânulos esféricos, demonstramos experimentalmente que os modos normais não lineares podem ser expressos em um modo normal linear ortonormal com amplitudes dependentes do tempo. Essas amplitudes formam os componentes de um vetor de estado que abrange um espaço de Hilbert bidimensional (2D) parametricamente com o tempo. Assim, eles servem como análogos das superposições coerentes de estados dependentes do tempo, semelhantes a qubits. Além disso, demonstramos experimentalmente que a frequência e amplitude dos drivers externos aplicados ao sistema não linear são fatores essenciais na navegação na esfera elástica de Bloch. Mais profundamente, uma vez que o sistema em consideração é não linear, mostramos experimentalmente que o tempo permite a exploração paramétrica da superposição de estados de Bloch.