[論文レビュー] Tomography of Entangled Macroscopic Mechanical Objects

Shlomi Kotler, G. A. Peterson+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 44被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、超伝導電磁機械回路とパルスマイクロ波プロトコルを用いて、2つの巨視的機械的ドラムヘッド（各70 pg）の決定的基底状態冷却、もつれ、量子状態トモグラフィーを実証した。主な結果は、位置と運動量のほぼ量子限界の共同測定によるノイズ補正を要しないもつれの検証であり、質量の大きなもつれた量子系の高精度な特徴付けを可能にした。

ABSTRACT

Observing quantum mechanics at the macroscopic scale has captured the attention of scientists and the imagination of the public for more than a century. While quantum mechanics was conceived in the context of electrons and atoms, the ability to observe its properties on ever more macroscopic systems holds great promise for fundamental research and technological applications. Therefore, researchers have been preparing larger material systems in interesting quantum states and, in particular, entangled states of separate mechanical oscillators[1-3]. As these quantum devices move from demonstrations to applications, their full potential can only be realized by combining entanglement generation with an efficient measurement of the joint mechanical state. Unfortunately, such a high level of control and measurement can expose the system to undesired interactions with its environment, a problem that becomes more pronounced at the macroscopic scale. Here, using a superconducting electromechanical circuit and a pulsed microwave protocol, we ground-state cool, entangle and perform state tomography of two mechanical drumheads with masses of 70 pg. Entanglement is generated deterministically and is followed by a nearly quantum-limited measurement of the positions and momentums of both mechanical oscillators. From these efficient measurements, the resulting tomography demonstrates entanglement without noise subtraction. Highly entangled, massive quantum systems, as demonstrated here, are uniquely poised to address fundamental tests of quantum mechanics[4,5], enable force sensing beyond the standard quantum limit[6], and possibly serve as long-lived nodes of a future quantum network[7,8].

研究の動機と目的

• ナノグラムスケールの巨視的機械的振動子2つ間で決定的もつれを実現すること。
• 両振動子の位置と運動量を高精度で、ほぼ量子限界の共同測定を実装すること。
• ノイズ補正を必要とせず、もつれた機械的系の量子状態トモグラフィーを実行すること。
• 巨視的系における量子力学の基礎的検証、量子センシングおよび量子ネットワークへの応用を可能にすること。
• 巨視的量子系における環境によるデコherenceに、精密な制御と測定プロトコルによって対処すること。

提案手法

• 2つの機械的ドラムヘッド（各70 pg）をマイクロ波キャビティに超伝導電磁機械回路で結合する。
• パルスマイクロ波プロトコルを用いて、ドラムヘッドを決定的に基底状態に冷却する。
• マイクロ波パルスによる制御された相互作用を介して、2つの機械的振動子間のもつれを生成する。
• マイクロ波出力における量子限界のホモダイン検出を用いて、位置と運動量の共同測定を実行する。
• 測定された四分位データを用いて、量子状態トモグラフィーにより全量子状態を再構成する。
• 測定の忠実度が量子ノイズによってのみ制限され、古典的ノイズによっては制限されないようプロトコルを設計することで、ノイズ補正を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 70 pgの質量を有する2つの巨視的機械的振動子間で、決定的にもつれを生成できるか？
• RQ2 ノイズ補正に依存せずに、このような巨視的系の量子状態トモグラフィーを実行できるか？
• RQ3 位置と運動量の共同測定が、巨視的機械的系においてほぼ量子限界の精度に達することができるか？
• RQ4 現実的な環境的相互作用下において、巨視的機械的振動子のもつれはどの程度頑健か？
• RQ5 このような系が、将来の量子ネットワークにおける長寿命ノードとして機能できるか、また標準量子限界を超える力のセンシングを可能にするか？

主な発見

• 著者らは、パルスマイクロ波プロトコルを用いて、2つの70 pgの機械的ドラムヘッドを量子基底状態に決定的に冷却することに成功した。
• 2つのドラムヘッド間のもつれは決定的に生成され、量子状態トモグラフィーによって検証された。
• トモグラフィー再構成において、ノイズ補正を要せずもつれが確認され、測定プロセスの忠実度が裏付けられた。
• 位置と運動量の共同測定はほぼ量子限界の感度に達し、古典的ノイズの混入が最小限であることが示された。
• 本系は、巨視的系における量子力学の基礎的検証に高い可能性を示している。
• 結果は、質量の大きな機械的振動子を将来的な量子ネットワークのノードや量子増強センシングに利用可能であることを支持している。