[논문 리뷰] Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator

Marius Bild, Matteo Fadel외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 01.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 회로 양자 음향역학을 이용하여 16.2-미크로그램 기계 진동자에서 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성하는 것을 보여준다. 초전도 전이모드 큐비트가 진동 모드와 얽히며 반대 위상의 격자 진동의 초위상 상태를 준비한다. 주요 결과는 최대 40 µs까지의 공명 시간을 가지는 매크로스코픽 양자 초위상 상태를 관측한 것으로, 질량이 큰 기계 시스템에서의 확장 가능한 양자 제어를 확인하고 연속 변수 양자 기술을 발전시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 16.2-μg 진동자에서 대규모 슈뢰딩거 고양이 상태를 준비하여 매크로스코픽 기계 시스템에서 양자 초위상의 한계를 시험한다.
• 특히 크기와 위상이 붕괴 비율에 미치는 영향를 고려하여 질량이 큰 진동자에서 매크로스코픽 초위상의 붕괴 역학을 조사한다.
• 기계 진동자에서 고양이 상태의 진폭과 위상을 제어할 수 있음을 보이며, 향후 양자 미세측정 및 정보 처리 응용 가능성을 제시한다.
• 비클래식적 특성인 위그너 음성도를 관측하여 양자와 고전적 행동의 경계를 탐색한다.

제안 방법

• 고조파 질량 음향파 진동자(HBAR)를 초전도 전이모드 큐비트와 압전 상호작용을 통해 결합하여, 진동 모드의 양자 제어를 가능하게 한다.
• 큐비트를 초위상 상태로 초기화하고 제이نز-커밍스 상호작용을 이용해 큐비트를 일관된 진동 상태와 얽히게 하여 반대 위상의 격자 진동의 초위상 상태를 생성한다.
• 전체 위그너 함수 토모그래피를 수행하여 양자 상태를 재구성하고, 1차원 절단을 사용하여 위그너 음성도를 추출하고 시간에 따른 붕괴를 추적한다.
• 붕괴는 다양한 지연 시간 동안 위그너 음성도의 붕괴를 측정하여 정량화하며, 자유 진동을 모델링하기 위해 마스터 방정식을 사용한 시뮬레이션을 실험 데이터와 비교한다.
• 시스템은 다수의 종방향 진동 모드를 조사할 수 있도록 튜닝되며, 모드 부피를 최소화하여 양자 결합 강도를 높이고 붕괴를 줄인다.
• 완전한 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션을 통해 고양이 상태 붕괴 시간을 예측하고, 현실적인 노이즈와 큐비트 이격도를 고려하여 실험 측정치와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 약 16 μg인 매크로스코픽 기계 진동자에서 관측 가능한 양자적 특성을 가지는 비고전적 초위상 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 매크로스코픽 기계 시스템에서 고양이 상태의 크기와 위상은 붕괴 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 실험 환경에서 대칭적인 양자역학 예측, 예를 들어 위그너 음성도의 붕괴가 대진폭 고양이 상태에 대해 어느 정도 유지되는가?
• RQ4 환경 결합과 내재된 붕괴 메커니즘이 기계 진동자에서 매크로스코픽 초위상 상태 수명을 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실험은 16.2-μg 기계 진동자에서 슈뢰딩거 고양이 상태를 성공적으로 준비하였으며, 고양이 상태 크기 D = 1.61까지 관측되어 매크로스코픽 양자 초위상 상태를 증명하였다.
• 위그너 음성도 붕괴는 각각 D = 1.09, 1.43, 1.61에 대해 24.68, 12.34, 10.52 µs의 시간 상수로 관측되었으며, 크기에 따라 붕괴가 달라지는 것을 확인하였다.
• 큰 고양이 상태의 붕괴 비율은 수치 시뮬레이션과 양호한 일치를 보였으며, 작은 α 값에서의 이질성은 분석적 근사의 부정확성과 위그너 함수의 배경 노이즈로 기인한 것으로 기인되었다.
• 가장 큰 고양이 상태의 공명 시간은 간섭 무늬 대비 대비도를 기준으로 약 10 µs로 측정되었으며, 일관된 상태 성분은 더 느린 시간 상수 2T1^ph 스케일에서 붕괴되었다.
• 큐비트 준비 기저에 따라 변하는 위그너 함수의 간섭 무늬를 통해 초위상의 진폭과 위상을 제어할 수 있었음을 입증하였다.
• 완전한 마스터 방정식의 시뮬레이션은 관측된 붕괴 역학이 표준 양자역학 예측과 일치함을 확인하였으며, 더 큰 스케일의 시스템에 대한 모델 유효성을 검증하였다.