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Nov 01, 2023

Dimostrazione sperimentale del tempo analogo classico

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22580 (2022) Cita questo articolo 2568 Accessi a 10 dettagli sulle metriche altmetriche Uno dei concetti della teoria quantistica su cui si basa l'elaborazione delle informazioni quantistiche

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Uno dei concetti della teoria quantistica su cui si basa l'elaborazione dell'informazione quantistica è la sovrapposizione. Qui forniamo prove sperimentali dell'esistenza di analoghi classici alla sovrapposizione coerente di stati energetici, resa possibile dalla non linearità di tipo Hertz dei granuli insieme al campo motore esterno. Le vibrazioni non lineari dei granuli vengono proiettate nei modi di vibrazione lineari, che dipendono l'uno dall'altro attraverso la fase e formano una sovrapposizione coerente. Mostriamo che le ampiezze degli stati coerenti formano i componenti di un vettore di stato che si estende su uno spazio di Hilbert bidimensionale e che il tempo consente al sistema di estendere parametricamente il suo spazio di Hilbert. Pertanto, la sovrapposizione degli stati può essere sfruttata in calcoli di tipo quantistico a due stati senza decoerenza e collasso della funzione d'onda. Infine, dimostriamo la realizzazione sperimentale dell'applicazione di una porta Hadamard reversibile a uno stato base puro che porta lo stato in una sovrapposizione.

La crescente domanda di scienza dell'informazione quantistica (QIS) e di calcolo quantistico1,2,3,4,5 impone un'analisi più approfondita dell'argomento e dei suoi metodi. Un bit quantico (qubit) è il componente essenziale del QIS e di un sistema quanto-meccanico a due stati che può, soprattutto, esistere in sovrapposizione. Uno stato nuovo e distinto con specifiche connessioni quantitative con i primi due stati dati viene definito sovrapposizione dei primi due. Oltre a fornire la sovrapposizione di stati, la capacità di correlare tra i sottosistemi attraverso l’entanglement è ciò che rende i qubit così potenti per l’elaborazione delle informazioni. Tuttavia, a causa della rapida capacità dell’ambiente di distruggere la delicata coerenza di questi stati, è difficile creare e osservare stati di sovrapposizione quantistica inizialmente preparati. Di conseguenza, le particelle e alcuni oggetti microscopici che sono stati raffreddati a una temperatura prossima allo zero assoluto6,7,8 mostrano quindi tale sovrapposizione quantistica9,10. D'altra parte, il calcolo quantistico topologico (TPC), dove le proprietà topologiche delle linee d'universo delle particelle su scala macroscopica sono tutto ciò che conta, utilizza forme di materia non abeliane per archiviare informazioni quantistiche nel tentativo di costruire un qubit 11 più robusto, 12. Tuttavia, secondo il commento di Frolov su Nature 13, la disputa sulle particelle di Majorana sta minando la fiducia del campo TPC perché è molto impegnativo creare un qubit topologico. Di conseguenza, la ricerca di sovrapposizioni di altri stati macroscopici, o stati di sovrapposizione macroscopica, è stata attivamente perseguito negli ultimi decenni e dimostrato sperimentalmente con successo in una varietà di sistemi, inclusi ioni intrappolati14, condensati di Bose-Einstein15,16 e sistemi atomici17. Inoltre, guidando il qubit in modo monocromatico18 o rilevando l'interazione di due fononi tra un oscillatore meccanico e un qubit di spin19, è stata esplorata anche la sovrapposizione quantistica macroscopica in un sistema di qubit-oscillatore. Molto recentemente, Wood et al. ha suggerito una piattaforma per creare sovrapposizioni macroscopiche e un piano per posizionare un diamante di 250 nm di diametro in una sovrapposizione al fine di indagare i confini macroscopici della meccanica quantistica20.

Ulteriori prospettive per le applicazioni QIS e della meccanica quantistica e i progressi tecnologici sono forniti dalla creazione di analoghi acustici dei fenomeni quantistici21. Un esempio notevole è il campo elastico lineare, che è stato dimostrato produrre teoricamente e sperimentalmente sovrapposizioni coerenti di onde armoniche classiche che sono analoghe agli stati di spin nella meccanica quantistica22. Tuttavia, per osservare veri fenomeni di tipo quantistico, è necessaria la non linearità del sistema meccanico. La creazione di stati meccanici non gaussiani con una funzione di Wigner negativa ne è un esempio. È stato suggerito che la dissipazione23,24,25,26, il tunneling quantistico con un potenziale optomeccanico a doppio pozzo27,28, il flipping periodico dei qubit29, gli effetti di interferenza quantistica30, la misurazione condizionale del campo ottico31,32,33 e l'interazione modulata di salto di fotoni tra due le cavità in un sistema optomeccanico34,35 possono produrre stati di sovrapposizione macroscopici non gaussiani. Questi metodi si basano sull'interazione non lineare tra gradi di libertà ottici e meccanici. Nella stessa direzione, in Ref.36, una generazione sperimentale dello stato di sovrapposizione macroscopica è stata resa possibile dalla nonlinearità di tipo Kerr variando l'ampiezza del campo guida. A nostra conoscenza, tuttavia, nessun lavoro comparabile è stato svolto nei sistemi elastici classici non lineari in cui la non linearità è stata sfruttata per creare una sovrapposizione di stati. Un bit elastico in un sistema classico non lineare può creare una sovrapposizione di stati stabile a temperatura ambiente e priva di decoerenza. Inoltre, poiché rappresenta un'ampiezza effettiva piuttosto che un'ampiezza probabile, può essere misurata direttamente in assenza di collasso della funzione d'onda. Queste caratteristiche rendono possibile la realizzazione sperimentale di un bit elastico, fornendo un nuovo modo rivoluzionario per raggiungere alcuni degli obiettivi della tecnologia dell’informazione quantistica utilizzando analoghi quantistici basati su materiali. L'obiettivo del presente studio è dimostrare sperimentalmente la possibilità di preparare analoghi acustici degli stati di sovrapposizione in un mezzo granulare acustico non lineare e di manipolare la sovrapposizione degli stati di Bloch. Più specificamente, guidando armonicamente un sistema non lineare composto da due granuli sferici, dimostriamo sperimentalmente che le modalità normali non lineari possono essere espresse su una base ortonormale di modalità normale lineare con ampiezze dipendenti dal tempo. Queste ampiezze formano i componenti di un vettore di stato che si estende parametricamente in uno spazio di Hilbert bidimensionale (2D) con il tempo. Pertanto, servono come analoghi delle sovrapposizioni coerenti di stati dipendenti dal tempo simili a qubit. Inoltre, dimostriamo sperimentalmente che la frequenza e l'ampiezza dei driver esterni applicati al sistema non lineare sono fattori essenziali per navigare nella sfera elastica di Bloch. Più profondamente, poiché il sistema in esame è non lineare, dimostriamo sperimentalmente che il tempo consente l'esplorazione parametrica della sovrapposizione degli stati di Bloch.