[论文解读] 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 12

一句话总结

该论文通过电路量子声学动力学，在16.2微克的机械谐振子中实现了薛定谔猫态的制备，其中超导transmon量子比特与声子模式纠缠，从而制备出相位相反的晶格振荡的叠加态。关键结果是观测到最大达40 µs的宏观量子叠加态相干时间，证实了在大质量机械系统中可扩展的量子控制，并推动了连续变量量子技术的发展。

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.

研究动机与目标

• 通过在16.2-μg谐振子中制备大规模薛定谔猫态，测试量子叠加在宏观机械系统中的极限。
• 研究大质量振子中宏观叠加态的退相干动力学，特别是尺寸和相位对衰减速率的影响。
• 在机械谐振子中实现对猫态振幅和相位的控制，为量子计量学和信息处理的潜在应用铺平道路。
• 通过观测非经典特征（如Wigner负性）来探究量子与经典行为的边界，系统质量达到宏观量级。

提出的方法

• 实验采用高阶体声波谐振子（HBAR）与超导transmon量子比特通过压电效应耦合，实现对声子模式的量子控制。
• 通过将量子比特初始化为叠加态，并利用Jaynes-Cummings相互作用使其与相干声子态纠缠，从而制备出相位相反的晶格振荡的叠加态。
• 通过全Wigner函数层析成像重建量子态，利用一维截面提取Wigner负性并追踪随时间的退相干过程。
• 通过测量Wigner负性随可变延迟时间的衰减来量化退相干，利用主方程模拟自由演化过程，并与实验数据进行比较。
• 系统被调节以激发多个纵向声子模式，且模式体积被最小化，以增强量子耦合并减少退相干。
• 通过求解完整主方程的数值模拟预测猫态的衰变时间，考虑了真实噪声和量子比特失谐的影响，结果与实验测量值进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量约为16 μg的宏观机械振子能否被制备成具有可观测量子特征的非经典叠加态？
• RQ2 猫态的尺寸和相位如何影响其在大质量机械系统中的退相干速率？
• RQ3 在实际实验装置中，标准量子力学预测（如Wigner负性的衰减）在大振幅猫态中在多大程度上成立？
• RQ4 环境耦合与内在退相干机制在多大程度上限制了机械谐振子中宏观叠加态的寿命？

主要发现

• 实验成功在16.2-μg机械谐振子中制备出薛定谔猫态，猫态尺寸最大达D = 1.61，证实了宏观量子叠加态的存在。
• 观测到Wigner负性衰减，对应猫态尺寸D = 1.09、1.43和1.61时的时间常数分别为24.68、12.34和10.52 µs，证实了尺寸相关的退相干效应。
• 较大猫态的测量衰减速率与数值模拟结果吻合良好；而小α值时的偏差归因于解析近似不准确及Wigner函数中的背景噪声。
• 最大猫态的相干时间测量约为10 µs（以干涉条纹对比度为准），而相干态分量的衰减则发生在更慢的时间尺度2T1^ph上。
• 系统展示了对叠加态振幅和相位的控制能力，表现为Wigner函数中随量子比特制备基不同而变化的干涉条纹。
• 完整主方程过程的模拟结果证实，观测到的退化动力学与标准量子力学预测一致，验证了该模型在更大规模系统中的适用性。