Блог

Nov 01, 2023

Экспериментальная демонстрация классического аналогичного времени

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 22580 (2022) Цитировать эту статью 2568 Доступов 10 Подробности об альтметрических метриках Одна из концепций квантовой теории, на которой основана квантовая обработка информации.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22580 (2022) Цитировать эту статью

2568 Доступов

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Одной из концепций квантовой теории, на которой основана квантовая обработка информации, является суперпозиция. Здесь мы приводим экспериментальные доказательства существования классических аналогов когерентной суперпозиции энергетических состояний, которая становится возможной благодаря нелинейности гранул типа Герца вместе с внешним движущим полем. Нелинейные колебания гранул проецируются в линейные моды колебаний, которые зависят друг от друга через фазу и образуют когерентную суперпозицию. Мы показываем, что амплитуды когерентных состояний образуют компоненты вектора состояния, который охватывает двумерное гильбертово пространство, а время позволяет системе параметрически охватывать свое гильбертово пространство. Таким образом, суперпозицию состояний можно использовать в квантовоподобных вычислениях с двумя состояниями без декогеренции и коллапса волновой функции. Наконец, мы демонстрируем экспериментальную реализацию применения обратимого вентиля Адамара к чистому базовому состоянию, который переводит состояние в суперпозицию.

Возросший спрос на квантовую информатику (QIS) и квантовые вычисления1,2,3,4,5 диктует более тщательный анализ темы и ее методов. Квантовый бит (кубит) является важнейшим компонентом QIS и квантово-механической системы с двумя состояниями, которая, что самое главное, может существовать в суперпозиции. Новое, отдельное состояние, имеющее определенные количественные связи с первыми двумя данными состояниями, называется суперпозицией двух первых. Помимо обеспечения суперпозиции состояний, способность коррелировать между подсистемами посредством запутанности делает кубиты такими мощными для обработки информации. Однако из-за быстрой способности окружающей среды разрушать хрупкую когерентность этих состояний сложно создавать и наблюдать изначально подготовленные квантовые суперпозитивные состояния. В результате частицы и некоторые микроскопические объекты, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю6,7,8, проявляют такую ​​квантовую суперпозицию9,10. С другой стороны, топологические квантовые вычисления (TPC), где все, что имеют значение, — топологические свойства мировых линий частиц в макроскопическом масштабе, используют неабелевы формы материи для хранения квантовой информации в попытке построить более надежный кубит 11. 12. Однако, согласно комментарию Фролова в журнале Nature 13, спор о частицах Майораны подрывает доверие к области TPC, поскольку создать топологический кубит очень сложно. Следовательно, исследование суперпозиций других макроскопических состояний или состояний макроскопической суперпозиции было активно изучается в течение последних нескольких десятилетий и успешно экспериментально продемонстрировано в различных системах, включая захваченные ионы14, конденсаты Бозе-Эйнштейна15,16 и атомные системы17. Кроме того, путем монохроматического управления кубитом18 или путем обнаружения двухфононного взаимодействия между механическим осциллятором и спиновым кубитом19 также была исследована макроскопическая квантовая суперпозиция в системе кубит-осциллятор. Совсем недавно Вуд и др. предложил платформу для создания макроскопических суперпозиций и план помещения в суперпозицию алмаза диаметром 250 нм, чтобы исследовать макроскопические границы квантовой механики20.

Дополнительные перспективы для приложений QIS и квантовой механики, а также технологических достижений открывают создание акустических аналогов квантовых явлений21. Одним из примечательных примеров является линейное упругое поле, которое, как было показано теоретически и экспериментально, создает когерентные суперпозиции классических гармонических волн, которые аналогичны спиновым состояниям в квантовой механике22. Тем не менее, чтобы наблюдать истинные квантовоподобные явления, необходима нелинейность механической системы. Одним из таких примеров является создание механических негауссовских состояний с отрицательной функцией Вигнера. Было высказано предположение, что диссипация23,24,25,26, квантовое туннелирование с двухямным оптомеханическим потенциалом27,28, периодическое переворачивание кубита29, эффекты квантовой интерференции30, условное измерение оптического поля31,32,33 и модулированное скачкообразное взаимодействие фотонов между двумя полости в оптомеханической системе34,35 могут создавать макроскопические негауссовы состояния суперпозиции. Эти методы основаны на нелинейном взаимодействии оптических и механических степеней свободы. В том же направлении в [36] экспериментальная генерация макроскопического состояния суперпозиции стала возможной благодаря нелинейности керровского типа при изменении амплитуды движущего поля. Однако, насколько нам известно, подобная работа не проводилась в нелинейных классических упругих системах, где нелинейность использовалась для создания суперпозиции состояний. Упругий бит в нелинейной классической системе может создавать суперпозицию состояний, стабильную при температуре окружающей среды и не вызывающую декогеренции. Более того, поскольку она представляет собой реальную амплитуду, а не амплитуду вероятности, ее можно измерить непосредственно в отсутствие коллапса волновой функции. Эти характеристики позволяют экспериментально реализовать упругий бит, предоставляя революционно новый способ достижения некоторых целей квантовой информационной технологии с использованием квантовых аналогов на основе материалов. Целью настоящей работы является экспериментальная демонстрация возможности получения акустических аналогов суперпозиционных состояний в нелинейной акустической гранулированной среде и манипулирования суперпозицией блоховских состояний. Более конкретно, посредством гармонического управления нелинейной системой, состоящей из двух сферических гранул, мы экспериментально демонстрируем, что нелинейные нормальные моды могут быть выражены на ортонормированной основе линейной нормальной моды с зависящими от времени амплитудами. Эти амплитуды образуют компоненты вектора состояния, который параметрически со временем охватывает двумерное (2D) гильбертово пространство. Таким образом, они служат аналогами кубитоподобных, зависящих от времени когерентных суперпозиций состояний. Кроме того, мы экспериментально показываем, что частота и амплитуда внешних драйверов, применяемых к нелинейной системе, являются важными факторами в навигации по упругой сфере Блоха. А самое главное, поскольку рассматриваемая система является нелинейной, мы экспериментально показываем, что время позволяет параметрическое исследование суперпозиции блоховских состояний.