Come direttori di una sinfonia spettrale, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno "impigliato" due piccoli tamburi meccanici e misurato con precisione le loro proprietà quantistiche collegate. Coppie entangled come questa potrebbero un giorno eseguire calcoli e trasmettere dati in reti quantistiche su larga scala.

Il team del NIST ha utilizzato impulsi a microonde per attirare i due minuscoli tamburi di alluminio in una versione quantistica del Lindy Hop, con un partner che saltellava in uno schema freddo e calmo mentre l'altro si muoveva un po' di più. I ricercatori hanno analizzato segnali simili a radar per verificare che i passi dei due tamburi formassero uno schema intrecciato, un duetto che sarebbe impossibile nel mondo classico di tutti i giorni.

La novità non è tanto la danza in sé, ma la capacità dei ricercatori di misurare i tamburi, salendo e scendendo di appena un quadrilionesimo di metro, e verificare il loro fragile intreccio rilevando sottili relazioni statistiche tra i loro movimenti.

La ricerca è descritta nel numero del 7 maggio di Scienza .

"Se analizzi i dati di posizione e momento per i due tamburi in modo indipendente, ognuno di loro sembra semplicemente caldo, "Il fisico del NIST John Teufel ha detto. "Ma guardandoli insieme, possiamo vedere che quello che sembra un movimento casuale di un tamburo è altamente correlato con l'altro, in un modo che è possibile solo attraverso l'entanglement quantistico."

La meccanica quantistica è stata originariamente concepita come il regolamento per la luce e la materia su scala atomica. Però, negli ultimi anni i ricercatori hanno dimostrato che le stesse regole possono valere per oggetti sempre più grandi come i tamburi. Il loro movimento avanti e indietro li rende un tipo di sistema noto come oscillatore meccanico. Tali sistemi sono stati impigliati per la prima volta al NIST circa un decennio fa, e in quel caso gli elementi meccanici erano singoli atomi.

Da allora, Il gruppo di ricerca di Teufel ha dimostrato il controllo quantistico di membrane di alluminio simili a tamburi sospese sopra stuoie di zaffiro. Per gli standard quantistici, i tamburi del NIST sono enormi, 20 micrometri di larghezza per 14 micrometri di lunghezza e 100 nanometri di spessore. Pesano circa 70 picogrammi ciascuno, che corrisponde a circa 1 trilione di atomi.

Intrappolare oggetti enormi è difficile perché interagiscono fortemente con l'ambiente, che può distruggere stati quantici delicati. Il gruppo di Teufel ha sviluppato nuovi metodi per controllare e misurare il movimento di due tamburi contemporaneamente. I ricercatori hanno adattato una tecnica dimostrata per la prima volta nel 2011 per il raffreddamento di un singolo tamburo passando da segnali a microonde fissi a impulsi a microonde per ottimizzare separatamente le fasi di raffreddamento, coinvolgere e misurare gli stati. Per analizzare rigorosamente l'entanglement, sperimentali hanno anche lavorato più a stretto contatto con i teorici, un'alleanza sempre più importante nello sforzo globale per costruire reti quantistiche.

Il set di batteria NIST è collegato a un circuito elettrico e racchiuso in una cavità refrigerata criogenicamente. Quando viene applicato un impulso a microonde, l'impianto elettrico interagisce e controlla le attività dei fusti, che può sostenere stati quantistici come l'entanglement per circa un millisecondo, molto tempo nel mondo quantistico.

Per gli esperimenti, i ricercatori hanno applicato due impulsi a microonde simultanei per raffreddare i tamburi, altri due impulsi simultanei per impigliare i tamburi, e due impulsi finali per amplificare e registrare i segnali che rappresentano gli stati quantistici dei due tamburi. Gli stati sono codificati in un campo a microonde riflesso, simile al radar. I ricercatori hanno confrontato le riflessioni con l'impulso a microonde originale per determinare la posizione e la quantità di moto di ciascun tamburo.

Per raffreddare i tamburi, i ricercatori hanno applicato impulsi a una frequenza inferiore alle vibrazioni naturali della cavità. Come nell'esperimento del 2011, i tamburi convertivano i fotoni applicati alla frequenza più alta della cavità. Questi fotoni sono fuoriusciti dalla cavità mentre si riempiva. Ogni fotone in partenza portava con sé un'unità meccanica di energia:un fonone, o un quanto, dal movimento del tamburo. Questo ha eliminato la maggior parte del movimento del tamburo legato al calore.

Per creare intreccio, i ricercatori hanno applicato impulsi a microonde tra le frequenze dei due tamburi, superiore al tamburo 1 e inferiore al tamburo 2. Questi impulsi impigliavano i fononi del tamburo 1 con i fotoni della cavità, generazione di coppie fotone-fonone correlate. Gli impulsi hanno anche raffreddato ulteriormente il tamburo 2, poiché i fotoni in uscita dalla cavità sono stati sostituiti con fononi. Ciò che restava erano per lo più coppie di fononi intrecciati condivisi tra i due tamburi.

Per impigliare le coppie di fononi, la durata degli impulsi era cruciale. I ricercatori hanno scoperto che questi impulsi a microonde dovevano durare più di 4 microsecondi, idealmente 16,8 microsecondi, intrecciare fortemente i fononi. Durante questo periodo l'intreccio divenne più forte e il movimento di ciascun tamburo aumentava perché si muovevano all'unisono, una sorta di rinforzo simpatico, ha detto Teufel.

I ricercatori hanno cercato schemi nei segnali restituiti, o dati radar. Nel mondo classico i risultati sarebbero casuali. Tracciare i risultati su un grafico ha rivelato modelli insoliti che suggeriscono che i tamburi erano impigliati. Per essere certo, i ricercatori hanno eseguito l'esperimento 10, 000 volte e ha applicato un test statistico per calcolare le correlazioni tra i vari set di risultati, come le posizioni dei due tamburi.

"In parole povere, abbiamo misurato la correlazione tra due variabili, ad esempio se hai misurato la posizione di un tamburo, quanto bene potresti prevedere la posizione dell'altro tamburo, " disse Teufel. "Se non hanno correlazioni e sono entrambi perfettamente freddi, potevi solo indovinare la posizione media dell'altro tamburo all'interno di un'incertezza di mezzo quanto di moto. Quando sono impigliati, possiamo fare di meglio, con minore incertezza. L'intreccio è l'unico modo in cui questo è possibile".

"Per verificare che l'entanglement sia presente, facciamo un test statistico chiamato "testimone di entanglement", '''Il teorico del NIST Scott Glancy ha detto. "Osserviamo le correlazioni tra le posizioni dei tamburi e gli slanci, e se queste correlazioni sono più forti di quelle che possono essere prodotte dalla fisica classica, sappiamo che i tamburi devono essere stati impigliati. I segnali radar misurano posizione e quantità di moto simultaneamente, ma il principio di indeterminazione di Heisenberg dice che questo non può essere fatto con una precisione perfetta. Perciò, paghiamo un costo di casualità extra nelle nostre misurazioni. Gestiamo tale incertezza raccogliendo un ampio set di dati e correggendo l'incertezza durante la nostra analisi statistica".

altamente impigliato, sistemi quantistici massicci come questo potrebbero fungere da nodi longevi di reti quantistiche. Le misurazioni radar ad alta efficienza utilizzate in questo lavoro potrebbero essere utili in applicazioni come il teletrasporto quantistico - trasferimento di dati senza un collegamento fisico - o lo scambio di entanglement tra i nodi di una rete quantistica, perché queste applicazioni richiedono che le decisioni vengano prese sulla base di misurazioni dei risultati dell'entanglement. I sistemi entangled potrebbero essere utilizzati anche nei test fondamentali della meccanica quantistica e del rilevamento della forza oltre i limiti quantistici standard.