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Einstein-Podolsky-Rosen correlations between mechanical oscillators revealed through SU(1,1) interferometry

Diese Arbeit berichtet über die experimentelle Beobachtung von Einstein-Podolsky-Rosen-Korrelationen zwischen zwei makroskopischen mechanischen Oszillatoren, die an einen supraleitenden Qubit gekoppelt sind, unter Verwendung eines mechanischen SU(1,1)-Interferometers, um Quantenkorrelationen zu demonstrieren, die stärker als Verschränkung in einem makroskopischen Regime sind.

Ursprüngliche Autoren: Max-Emanuel Kern, Stefano Marti, Raquel Garcia-Belles, Andraz Omahen, Igor Kladaric, Arianne Brooks, Yiwen Chu, Matteo Fadel

Veröffentlicht 2026-06-17

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Max-Emanuel Kern, Stefano Marti, Raquel Garcia-Belles, Andraz Omahen, Igor Kladaric, Arianne Brooks, Yiwen Chu, Matteo Fadel

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich zwei winzige, unsichtbare Trommeln vor, die aus festem Material bestehen und nur wenige Millimeter voneinander entfernt auf einem Chip sitzen. Dies sind nicht einfach nur irgendwelche Trommeln; sie sind so leicht und zart, dass sie auf eine „quantenhafte“ Weise vibrieren können, wobei sie sich eher wie Wahrscheinlichkeitswellen als wie feste Objekte verhalten. In diesem Experiment gelang es Forschern der ETH Zürich, diese zwei fernen Trommeln in einem perfekten, „spukhaften“ Synchronzug tanzen zu lassen, obwohl sie durch den Raum getrennt sind und aus Milliarden von Atomen bestehen.

Hier ist eine Aufschlüsselung dessen, was sie getan haben, unter Verwendung einfacher Analogien:

1. Der Aufbau: Der Dirigent und die Trommeln

Stellen Sie sich die zwei mechanischen Trommeln (genannt HBARs) wie zwei separate Musiker vor. Normalerweise ist es schwer, zwei Musiker dazu zu bringen, ohne miteinander zu sprechen, in perfektem Einklang zu spielen. Um dies zu lösen, führten die Forscher einen „Dirigenten“ ein: ein supraleitendes Qubit (eine Art künstliches Atom).

Das Qubit fungiert als Brücke. Es hört den Trommeln nicht nur zu; es verbindet sie aktiv. Durch das Senden spezifischer Mikrowellensignale (wie musikalische Noten) an diesen Dirigenten konnten die Forscher die beiden Trommeln dazu bringen, in einem speziellen, verknüpften Muster zu vibrieren.

2. Der Zaubertrick: „Zwei-Moden-Squeezing“ (Two-Mode Squeezing)

Der Kern des Experiments ist ein Prozess namens Zwei-Moden-Squeezing (TMS).

Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Luftballons. Normalerweise, wenn man einen zusammendrückt, wird er kleiner und der andere bleibt gleich. Aber bei diesem Quantentrick, wenn man das System „zusammendrückt“ (squeezed), werden die Ballons nicht einfach nur kleiner, sondern sie werden perfekt korreliert. Wenn ein Ballon plötzlich expandiert, expandiert der andere instantan um genau denselben Betrag, selbst wenn sie sich in verschiedenen Räumen befinden.
Das Ergebnis: Die Forscher erzeugten Paare von Vibrationen (Phononen), bei denen die beiden Trommeln so miteinander verknüpft waren, dass die Messung der Vibration der einen Trommel genau verriet, was die andere gerade tut – mit einer Präzision, die den normalen Gesetzen der Physik trotzt (dem „Unschärfeprinzip“).

3. Der Test: Das SU(1,1)-Interferometer

Um zu beweisen, dass diese Verbindung echt war und kein bloßer glücklicher Zufall, bauten sie ein „Quanteninterferometer“.

Die Analogie: Denken Sie an ein Standard-Interferometer (wie ein Mach-Zehnder) als eine Weggabelung, bei der sich ein Auto in zwei Pfade aufteilt, reist und dann wieder zusammenkommt. Wenn die Pfade unterschiedlich lang sind, kommt das Auto zu einer anderen Zeit an, was ein Muster erzeugt.
Der Clou: In diesem Experiment nutzten die Forscher statt nur den Pfad zu teilen, den „Squeezing“-Zauber, um die Vibrationen am Anfang und am Ende zu verstärken. Es ist, als hätte man eine Maschine, die zwei Autos aus dem Nichts erschafft, sie auf zwei Pfade schickt und dann eine andere Maschine verwendet, um zu sehen, wie sie interferieren, wenn sie zurückkommen.
Das Ergebnis: Durch die Anpassung des Timings (der Phase) der Mikrowellensignale sahen sie die Population der Vibrationen in den Trommeln in einem Wellenmuster ansteigen und abfallen. Dieses Wellenmuster bewies, dass die beiden Trommeln einen einzigen Quantenzustand teilten und nicht einfach nur als zwei separate Trommeln agierten.

4. Die große Entdeckung: Den Quantenzustand „steuern“ (Steering)

Der spannendste Teil ist das, was sie EPR-Steering nennen.

Das Konzept: In der Quantenphysik bedeutet „Verschränkung“, dass zwei Dinge miteinander verknüpft sind. „Steering“ ist eine stärkere, einseitigere Version davon. Es bedeutet, dass man durch die Messung einer Trommel den Zustand der anderen Trommel mit einer solchen Genauigkeit „steuern“ oder vorhersagen kann, dass es scheint, als würde man sie schneller als das Licht beeinflussen – oder zumindest beweist, dass die andere Trommel keinen vorbestimmten Zustand hatte, bevor man nach ihr sah.
Die Errungenschaft: Die Forscher zeigten, dass die Verbindung zwischen ihren beiden Trommeln stark genug war, um den Test für EPR-Steering zu bestehen. Dies ist eine große Sache, denn diese Trommeln sind makroskopisch (mit bloßem Auge erkennbar, wenn man die Augen zusammenkneift, wiegen sie etwa 16 Mikrogramm, was einem winzigen Sandkorn entspricht).
Warum es wichtig ist: Normalerweise sehen wir dieses „spukhafte“ Verhalten nur bei winzigen Teilchen wie Elektronen oder Photonen. Dass man es bei etwas so „Schwerem“ wie einer mechanischen Trommel sieht, deutet darauf hin, dass die Grenze zwischen der Quantenwelt (der seltsamen, kleinen Dinge) und der klassischen Welt (der normalen, großen Dinge) vielleicht verschwommener ist, als wir dachten.

Zusammenfassung

Kurz gesagt, nutzte das Team einen supraleitenden „Dirigenten“, um zwei winzige, ferne mechanische Trommeln einen Quantenwalzer tanzen zu lassen. Sie bewiesen, dass diese beiden Trommeln so tief miteinander verbunden waren, dass die Messung der einen sofort den Zustand der anderen enthüllte – ein Phänomen, das als EPR-Steering bekannt ist. Dies wurde durch einen cleveren „Interferometer“-Aufbau erreicht, der die Quantensignale verstärkte und bewies, dass selbst relativ große, mechanische Objekte die seltsamsten und mächtigsten Formen der Quantenkorrelation aufweisen können.

Technische Zusammenfassung: Einstein–Podolsky–Rosen-Korrelationen zwischen mechanischen Oszillatoren mittels SU(1,1)-Interferometrie nachgewiesen

Problemstellung
Quantenkorrelationen sind fundamentale Ressourcen für den Quantenvorteil in der Computertechnik, Kommunikation und Sensorik. Während kontinuierliche Variablen (CV)-Verschränkung bereits zwischen räumlich getrennten nanomechanischen Oszillatoren nachgewiesen wurde, wurden stärkere Formen nichtklassischer Korrelationen, insbesondere das Einstein–Podolsky–Rosen (EPR)-Steering, im makroskopischen Bereich bisher noch nicht beobachtet. EPR-Steering ist eine strengere und asymmetrische Form der Korrelation im Vergleich zur Verschränkung, bei der eine Messung an einem System die Vorhersage eines anderen Systems mit einer Genauigkeit ermöglicht, welche die lokalen Unschärferelationen verletzt. Seine Beobachtung ist entscheidend für einseitige geräteunabhängige Quantenprotokolle und für das Testen der Grenzen zwischen Quanten- und klassischer Physik in makroskopischen Systemen (effektive Massen $\sim 16$ $\mu$ g). Die primäre Herausforderung liegt in den strengen Anforderungen an die Korrelationsstärke und die Erhaltung der Kohärenz in makroskopischen mechanischen Systemen.

Methodik
Die Autoren verwendeten eine Schaltkreis-Quanten-Akustodynamik-Plattform (cQAD), die aus zwei hochfrequenten Bulk-Akustik-Wellen-Resonatoren (HBARs) besteht, die durch einen einzelnen supraleitenden Transmon-Qubit über $\sim 3,6$ mm getrennt sind. Die HBARs, die aus Aluminiumnitrid auf Saphir gefertigt wurden, besitzen unterschiedliche Phononenspektren, was die unabhängige Adressierung spezifischer Moden (bezeichnet als A und B) mit Frequenzen $\omega_a/2\pi \approx 5,698$ GHz und $\omega_b/2\pi \approx 5,704$ GHz ermöglicht.

Das experimentelle Protokoll umfasste die folgenden Schritte:

Zwei-Mode-Squeezing (TMS) Engineering: Durch das parametrische Antreiben des Qubits mit zwei Mikrowellen-Tönen bei den Frequenzen $\omega_1$ und $\omega_2$ , die die Resonanzbedingung $\omega_1 + \omega_2 = \omega_a + \omega_b$ erfüllen, vermittelt das System einen Vier-Wellen-Mischungsprozess. Dies erzeugt eine effektive TMS-Wechselwirkung zwischen den Phononenmoden der beiden HBARs und erzeugt verschränkte Phononenpaare.
Kalibrierung: Die TMS-Rate ( $g_{\text{TMS}}$ ) wurde mittels resonanter Phononenzahl-Messungen (RPN) charakterisiert. Das Qubit wurde verwendet, um die Phononenpopulationsverteilung zu messen, welche an eine thermische Zustandsverteilung angepasst wurde, um die mittlere Phononenzahl und die Squeezing-Rate zu extrahieren.
Mechanische SU(1,1)-Interferometrie: Um Quantenkorrelationen ohne direkte Quadraturmessung (die in dieser Plattform schwierig ist) nachzuweisen, implementierten die Autoren ein mechanisches SU(1,1)-Interferometer. Diese Sequenz besteht aus:
- Zustandspräparation: Eine erste TMS-Operation (TMS1) erzeugt den korrelierten Zustand.
- Phasenakkumulation: Eine relative Phase $\phi$ wird zwischen den Interferometerarmen eingeführt.
- Auslesung: Eine zweite TMS-Operation (TMS2) fungiert als phasenempfindlicher Verstärker.
Korrelationsnachweis: Die Ausgangspopulation des Interferometers wird mit einem Steering-Kriterium verknüpft. Speziell wird die Größe $E(\phi) = (2\langle a^\dagger_{\text{out}}a_{\text{out}}\rangle + 1)/\cosh^2 r_2$ gemessen. Die theoretische Analyse zeigt, dass $E(\phi) \geq 1$ für alle nicht-steerbaren Zustände (B $\to$ A) gilt. Eine Verletzung dieser Grenze ( $E < 1$ ) bezeugt EPR-Steering.

Wichtigste Ergebnisse

TMS-Charakterisierung: Dem Team gelang es, eine TMS-Wechselwirkung mit einer Rate von $g_{\text{TMS}}/2\pi \approx 6,8$ kHz zu erzeugen. Die gemessenen Phononenpopulationen folgten der erwarteten thermischen Zustandsverteilung ( $\rho_{\text{Th}}$ ) mit einer mittleren Phononenzahl $N_a = \sinh^2(g_{\text{TMS}}t_{\text{TMS}})$ . Die experimentellen Raten stimmten mit den theoretischen Vorhersagen überein, die aus der Störungstheorie und zeitabhängigen Simulationen abgeleitet wurden, wobei AC-Stark-Verschiebungen durch den Antrieb und Effekte höherer Ordnung berücksichtigt wurden.
Betrieb des SU(1,1)-Interferometers: Das mechanische SU(1,1)-Interferometer demonstrierte eine phasenempfindliche Verstärkung. Wenn TMS1 aktiv war, zeigte die Ausgangspopulation von TMS2 Interferenzfransen in Abhängigkeit von der relativen Phase $\phi$ . Entscheidend war, dass für bestimmte Phasen (speziell $\phi \approx \pi$ ) die Ausgangspopulation niedriger war als die Referenzmessung (bei der TMS1 ausgeschaltet war), was eine Signatur der durch Quantenkorrelationen ermöglichten destruktiven Interferenz darstellt.
Beobachtung von EPR-Steering: Durch die Analyse der Interferometerfransen extrahierten die Autoren den minimalen Wert des Steering-Zeugen $E(\phi)$ $E (ϕ)$ . Bei einer optimalen TMS2-Dauer ( $t_{\text{TMS2}} \approx 11$ $t_{TMS2} \approx 11$ $\mu$ $μ$ s) beobachteten sie eine Verletzung des Steering-Kriteriums.
- Für die Richtung B $\to$ A zeigten 99 % der Monte-Carlo-Stichproben $E < 1$ .
- Für die Richtung A $\to$ B zeigten 98 % der Stichproben $E < 1$ .
- Dies bestätigt das Vorhandensein von Zwei-Wege-EPR-Steering zwischen den beiden mechanischen Oszillatoren.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper beansprucht die experimentelle Beobachtung von kontinuierlichen Variablen (CV) EPR-Korrelationen zwischen zwei räumlich getrennten mechanischen Oszillatoren, die jeweils eine effektive Masse von $\sim 16$ $\mu$ g (entspricht $\sim 10^{17}$ Atomen) besitzen. Dies stellt einen bedeutenden Schritt über bisherige Demonstrationen von CV-Verschränkung in mechanischen Systemen hinaus dar.

Die Autoren geben an, dass ihre Ergebnisse:

Das cQAD-Werkzeugkasten erweitern: Sie demonstrieren die Fähigkeit, Zwei-Mode-Squeezing zu erzeugen und SU(1,1)-Interferometrie mit Phononenmoden zu realisieren, was die zuvor demonstrierten Strahlteiler- und Ein-Mode-Squeezing-Operationen ergänzt.
Neue Protokolle ermöglichen: Die beobachteten Korrelationen sind ausreichend stark, um die Quantenteleportation von CV-Bewegungszuständen zwischen mechanischen Oszillatoren zu ermöglichen und dienen als Ressource für EPR-Steering-basiertes Quantensensing.
Die Quanten-Klassik-Grenze beleuchten: Durch den Nachweis von EPR-Steering in makroskopischen mechanischen Systemen wirft die Arbeit Licht auf die Gültigkeit der Quantenmechanik bei größeren Skalen und den Übergang zum klassischen Regime.

Die Autoren bleiben bescheiden hinsichtlich zukünftiger Anwendungen und merken an, dass während diese Korrelationen spezifische Protokolle wie die Quantenteleportation und assistierte Metrologie ermöglichen, der unmittelbare Beitrag in der Etablierung von HBARs als lebensfähige Plattform für die CV-Quanteninformationsverarbeitung und der Demonstration starker Quantenkorrelationen im makroskopischen Bereich liegt.

1. Der Aufbau: Der Dirigent und die Trommeln

2. Der Zaubertrick: „Zwei-Moden-Squeezing“ (Two-Mode Squeezing)

3. Der Test: Das SU(1,1)-Interferometer

4. Die große Entdeckung: Den Quantenzustand „steuern“ (Steering)

Zusammenfassung

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