Dark-Mode Control of Contrasting Entanglement and Bell Nonlocality between Mechanical Oscillators

In de kwantumwereld zijn de regels die atomen en licht beheersen vaak vreemd en contra-intuïtief, maar ze vormen de sleutel tot technologieën die er op een dag voor kunnen zorgen dat onze manier van communiceren en het meten van het universum revolutionair verandert. Twee van de meest beroemde concepten in dit domein zijn verstrengeling en non-lokaliteit. Verstrengeling is een diepe verbinding tussen twee deeltjes waarbij de toestand van het ene deeltje onmiddellijk invloed heeft op het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Non-lokaliteit is het specifieke, strikte bewijs dat deze verbinding echt is en niet kan worden verklaard door enige verborgen, lokale regel van de klassieke fysica. Decennialang hebben wetenschappers aangenomen dat hoe sterker de verstrengeling tussen twee objecten is, hoe gemakkelijker het is om hun non-lokale aard te bewijzen. Recente onderzoeken naar systemen die betrokken zijn bij minuscule, trillende mechanische objecten hebben deze eenvoudige aanname echter uitgedaagd, waarbij zij een complexere relatie aan het licht brachten waarin de twee fenomenen niet altijd synchroon bewegen.

Onderzoekers hebben nu een gedetailleerd plan voorgesteld om deze relatie te verkennen met behulp van een systeem van twee kleine mechanische trommels, of oscillatoren, die gekoppeld zijn aan een gedeelde optische holte (cavity). Deze mechanische objecten zijn massief vergeleken met enkelvoudige atomen, omdat ze miljarden van hen bevatten, wat het bewijzen van hun kwantumkarakter een belangrijke stap maakt naar het begrijpen van hoe de kwantumwereld overgaat in de alledaagse klassieke wereld die wij zien. Het team, onder leiding van Souvik Agasti en collega's, ontwierp een theoretische opstelling waarbij deze twee trommels worden aangestuurd door laserlicht om een specif kind van kwantumtoestand te genereren, bekend als een twee-modus 'squeezed state'. In deze toestand zijn de trillingen van de twee trommels verbonden op een manier die de onzekerheid van hun gecombineerde beweging vermindert, waardoor een sterk verstrengeld paar ontstaat. Het doel was om te zien of zij de mate van verstrengeling en de mogelijkheid om non-lokaliteit aan te tonen onafhankelijk van elkaar konden controleren, oftewel: de één verhogen terwijl de ander verlaagt.

De studie onthult een verrassende afruil die optreedt wanneer het systeem niet perfect is afgestemd. In een ideale wereld zou de verbinding tussen het licht en de mechanische trommels perfect zijn. In de werkelijkheid zijn er echter vaak kleine imperfecties in de manier waarop het licht koppelt aan de mechanische beweging. De onderzoekers ontdekten dat wanneer deze imperfecties aanwezig zijn, de verstrengeling tussen de twee trommels feitelijk toeneemt. Men zou verwachten dat deze sterkere verbinding het makkelijker maakt om non-lokaliteit te bewijzen, maar het tegenovergestelde gebeurt. De imperfecties introduceren een soort "ruis" of mengvorm (mixedness) in het systeem, wat de zuiverheid van de kwantumtoestand aantast. Hoewel de trommels meer verstrengeld blijven, maakt dit verlies aan zuiverheid het veel moeilijker om de specifieke wiskundige tests te doorstaan die vereist zijn om non-lokaliteit te bewijzen. Sterker nog, de meest sterk verstrengelde toestanden in hun simulaties waren niet de toestanden die het sterkste bewijs voor non-lokaliteit lieten zien; in plaats daarvan verscheen het duidelijkste bewijs van non-lokaliteit in toestanden die minder verstrengeld maar veel "schoner" of zuiverder waren.

Om dit probleem op te lossen, introduceerde het team een nieuw mechanisme: een gecontroleerde manier waarop de twee mechanische trommels energie direct met elkaar uitwisselen, een proces dat zij "phonon hopping" noemen. Door de fase van deze energie-uitwisseling aan te passen, konden zij zogenaamde "dark modes" creëren. In een dark mode wordt één van de mechanische trillingen effectief onzichtbaar voor het lichtveld, waardoor deze beschermd wordt tegen bepaalde soorten verval. De onderzoekers ontdekten dat ze door deze fase zorgvuldig af te stemmen, de zuiverheid van de kwantumtoestand in specifieke configuraties selectief konden herstellen. Deze restauratie stelde hen in staat om het bewijs van non-lokaliteit te versterken, ook al werd de algehele verstrengeling tussen de trommels verminderd. Het is alsovergelijkbaar met het feit dat de onderzoekers een manier vonden om het signaal net genoeg op te schonen om het bewijs van non-lokaliteit weer zichtbaar te maken, zelfs als de verbinding tussen de objecten iets werd verzwakt.

De bevindingen zijn gebaseerd op rigoureuze wiskundige simulaties van een systeem dat compatibel is met bestaande experimentele technologie. De voorgestelde opstelling maakt gebruik van microgolfcaviteiten en mechanische resonantoren die vandaag de dag al in laboratoria worden gebruikt, zoals de drumhead-resonatoren die in geavanceerd kwantumcomputeronderzoek worden gevonden. Het team heeft aangetoond dat hun schema werkt binnen het bereik van parameters die haalbaar zijn met de huidige apparatuur, inclus[ief] de mogelijkheid om het systeem aan te sturen met meerdere tonen van licht om de noodzakelijke interacties te creëren. Ze hebben ook aangetoond dat deze methode robuust is tegen thermische ruis, wat betekent dat het nog steeds kan functioneren wanneer de mechanische objecten niet tot het absolute nulpunt zijn afgekoeld, een conditie die in real-world experimenten moeilijk te handhaven is.

Dit werk suggereert dat verstrengeling en non-lokaliteit, hoewel gerelateerd, verschillende hulpbronnen zijn die verschillend reageren op de imperfecties van een fysiek systeem. De studie identificeert de zuiverheid van de kwantumtoestand als de kritieke factor die dit verschil bepaalt. Wanneer de toestand door imperfecties een mengtoestand wordt, kan de verstrengeling toenemen terwijl de non-lokaliteit afneemt. Door middel van fase-afhankelijke energie-uitwisseling om dark modes te manipuleren, hebben de onderzoekers aangetoond dat er een pad bestaat om deze twee eigenschappen onafhankelijk van elkaar te controleren. Dit vermogen om non-lokaliteit af te stemmen zonder strikt gebonden te zijn aan het niveau van verstrengeling, biedt een nieuw instrument voor de kwantuminformatiewetenschap. Het zou de weg kunnen vrijmaken voor meer betrouwbare kwantumcommunicatienetwerken en hoogwaardige teleportatie van kwantumtoestanden, waarbij het vermogen om de kwantumnatuur van een verbinding te bewijzen even belangrijk is als de verbinding zelf. De voorgestelde architectuur biedt een praktische route voor het controleren van deze non-lokale correlaties in mechanische systemen, waardoor de theoretische mogelijkheden van de kwantummechanica dichter bij de experimentele realiteit worden gebracht.