[論文レビュー] Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator

Marius Bild, Matteo Fadel+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、16.2マイクログラムの機械的共振子において、回路量子音響ダイナミクスを用いてシュレーディンガーの猫状態を生成することを示している。超伝導トランスモンキュービットが音響モードとエンタングルされ、反対位相の格子振動の重ね合わせ状態が準備される。主な結果は、最大40マイクロ秒に達するコherences時間を持つマクロな量子重ね合わせの観測であり、質量の大きな機械的系におけるスケーラブルな量子制御を確認するとともに、連続変数量子技術の前進を示している。

ABSTRACT

The superposition principle is one of the most fundamental principles of quantum mechanics. According to the Schrödinger equation, a physical system can be in any linear combination of its possible states. While the validity of this principle is routinely validated for microscopic systems, it is still unclear why we do not observe macroscopic objects to be in superpositions of states that can be distinguished by some classical property. Here we demonstrate the preparation of a mechanical resonator with an effective mass of 16.2 micrograms in Schrödinger cat states of motion, where the constituent atoms are in a superposition of oscillating with two opposite phases. We show control over the size and phase of the superposition and investigate the decoherence dynamics of these states. Apart from shedding light at the boundary between the quantum and the classical world, our results are of interest for quantum technologies, as they pave the way towards continuous-variable quantum information processing and quantum metrology with mechanical resonators.

研究の動機と目的

• 16.2-μgの共振子で大規模なシュレーディンガーの猫状態を準備することで、マクロな機械的系における量子重ね合わせの限界をテストすること。
• 特にサイズと位相がマクロな重ね合わせの崩壊速度に与える影響を調査することにより、質量の大きなオシレーターにおけるデコherenceダイナミクスを解明すること。
• 機械的共振子における猫状態の振幅と位相の制御を実証し、量子メトロロジーおよび情報処理への応用可能性を追求すること。
• マクロな質量を持つ系において、非古典的特徴（例：Wignerの負性）を観測することで、量子的・古典的挙動の境界を解明すること。

提案手法

• 実験は、ペイエクトロニクス効果を介して超伝導トランスモンキュービットと結合されたハイオーバートーンバルク音響波共振子（HBAR）を用い、音響モードの量子制御を可能としている。
• 猫状態は、キュービットを重ね合わせ状態に初期化し、Jaynes-Cummings相互作用を用いて共鳴的音響状態とエンタングルさせることで、反対位相の格子振動の重ね合わせ状態を生成する。
• 量子状態の再構成には、Wigner関数トモグラフィーを全スパンで実施し、1次元クロスカットを用いてWignerの負性を抽出し、時間経過に伴うデコherenceを追跡する。
• デコherenceは、変動する遅延時間におけるWignerの負性の減衰を測定することで定量化され、自由発展をモデル化したマスター方程式を用いたシミュレーションと実験データを比較する。
• 複数の縦方向音響モードにチューニング可能であり、モード体積を最小化することで、量子結合を強化し、デコherenceを低減する。
• 全マスター方程式の数値シミュレーションを用いて、現実的なノイズおよびキュービットの周波数ずれを考慮した猫状態の崩壊時間を予測し、実験測定値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が約16 μgのマクロな機械的振動子が、観測可能な量子的特徴を示す非古典的重ね合わせ状態に準備可能か？
• RQ2 マクロな機械的系における猫状態のサイズと位相が、そのデコherence率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 実験的条件下で、標準的な量子力学的予測（例：Wignerの負性の減衰）が、大振幅猫状態に対してどの程度成立するか？
• RQ4 環境結合および内在的デコherenceメカニズムが、機械的共振子におけるマクロな重ね合わせの寿命を制限する役割を果たすか？

主な発見

• 16.2-μgの機械的共振子でシュレーディンガーの猫状態が成功裏に生成され、D = 1.61に達する猫状態サイズを示し、マクロな量子重ね合わせを実証した。
• Wignerの負性の減衰は、D = 1.09、1.43、1.61の猫状態に対してそれぞれ24.68、12.34、10.52 µsの時間定数で観測され、サイズ依存のデコherenceが確認された。
• 大規模な猫状態の測定された減衰率は、数値シミュレーションと良好に一致したが、小さなα値では、解析的近似の不正確さおよびWigner関数のバックグラウンドノイズが差異の原因とされた。
• 最大の猫状態のコherences時間は、干渉縞のコントラストから約10 µsに測定された一方、コherent状態成分の減衰はより遅い時間スケール2T1^phで進行した。
• キュービットの準備基底に応じて変化するWigner関数内の干渉縞から、重ね合わせの振幅および位相に対する制御が実証された。
• 全マスター方程式のシミュレーションにより、観測された崩壊ダイナミクスが標準的な量子力学的予測と整合することが確認され、大規模系へのモデル妥当性が検証された。