[논문 리뷰] Tomography of Entangled Macroscopic Mechanical Objects

Shlomi Kotler, G. A. Peterson외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 12.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 44인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초전도 전자기기 회로와 펄스형 마이크로파 프로토콜을 사용하여 두 개의 매크로스코픽 기계적 드럼헤드(각각 70 pg)의 결정적 기저 상태 냉각, 얽힘, 그리고 양자 상태 단층촬영을 구현한다. 주요 결과는 위치와 운동량의 거의 양자 한계에 도달한 동시 측정을 통해 노이즈 제거 없이 얽힘을 검증한 것으로, 질량이 큰 얽힌 양자 시스템의 고정밀 특성 분석을 가능하게 한다.

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].

연구 동기 및 목표

• 나노그램 규모의 매크로스코픽 기계적 진동자 두 개 사이에 결정적 얽힘을 달성하기 위해.
• 양자 시스템의 고정밀도, 거의 양자 한계에 도달한 위치와 운동량 동시 측정을 수행하기 위해.
• 노이즈 제거 없이 염색된 기계적 시스템의 양자 상태 단층촬영을 수행하여 직접적인 얽힘 관측을 보장하기 위해.
• 질량이 큰 시스템에서 양자역학의 기본적 실험과 양자 센서링 및 양자 네트워크의 애플리케이션을 가능하게 하기 위해.
• 정밀한 제어 및 측정 프로토콜을 통해 매크로스코픽 양자 시스템에서 환경에 의한 디코herence 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 초전도 전자기기 회로를 사용하여 두 개의 기계적 드럼헤드(각각 70 pg)를 마이크로파 공진기에 결합한다.
• 펄스형 마이크로파 프로토콜을 활용하여 드럼헤드를 결정적으로 기저 상태로 냉각한다.
• 마이크로파 펄스를 통한 제어된 상호작용을 통해 두 기계적 진동자 간에 얽힘을 생성한다.
• 마이크로파 출력에서 양자 한계에 도달한 동조 검출을 통해 위치와 운동량의 동시 측정을 수행한다.
• 측정된 복소수 성분 데이터를 기반으로 양자 상태 단층촬영을 통해 전체 양자 상태를 재구성한다.
• 측정 정밀도가 양자 노이즈에 의해만 제한되고 고전적 노이즈에 의해 영향을 받지 않도록 하여 노이즈 제거를 피하는 프로토콜을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 70 pg인 두 개의 매크로스코픽 기계적 진동자 사이에서 결정적으로 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 노이즈 제거 없이 이러한 질량이 큰 시스템의 양자 상태 단층촬영이 가능한가?
• RQ3 위치와 운동량의 동시 측정이 매크로스코픽 기계적 시스템에서 거의 양자 한계에 도달한 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 실제 환경 상호작용 하에서 질량이 큰 기계적 진동자에서의 얽힘은 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ5 이러한 시스템은 향후 양자 네트워크의 장기적인 노드로 활용되거나 표준 양자 한계를 초월한 힘 측정을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 펄스형 마이크로파 프로토콜을 사용하여 두 개의 70 pg 기계적 드럼헤드를 양자 기저 상태로 성공적으로 냉각하였다.
• 두 드럼헤드 사이의 얽힘은 결정적으로 생성되었고, 양자 상태 단층촬영을 통해 검증되었다.
• 단층촬영 재구성 과정에서 노이즈 제거 없이도 얽힘이 확인되어 측정 프로세스의 정밀도가 높음을 입증하였다.
• 위치와 운동량의 동시 측정이 거의 양자 한계에 도달한 민감도를 달성하여 고전적 노이즈 오염이 최소화되었음을 나타내었다.
• 이 시스템은 매크로스코픽 시스템에서 양자역학의 기본 실험에 매우 높은 잠재력을 지닌다.
• 결과는 질량이 큰 기계적 진동자를 향후 양자 네트워크의 노드로 사용하고, 양자 향상 센서링을 실현하는 데의 가능성에 대한 지원을 제공한다.