Probabilistic generation of two-mode binomial cat states using cross-Kerr interactions

Kwantumtechnologie vertrouwt op een bijzondere soort bouwsteen: een materietoestand die tegelijkertijd in twee zeer verschillende vormen bestaat. Stel je een lichtgolf voor die tegelijkertijd helder en zwak is, of een mechanisch object dat trilt en tegelijkertijd stilstaat. Wetenschappers noemen dit "kattoestanden", een naam ontleend aan een beroemd gedachte-experiment over een kat die zowel levend als dood is totdat deze wordt geobserveerd. Deze superposities zijn de motorruimte voor toekomstige kwantumcomputers en ultra-precieze sensoren. Hoewel onderzoekers hebben geleerd om eenvoudige versies van deze toestanden te creëren met behulp van een enkele lichtstraal, vereisen de krachtigste versies een complexere opstelling waarbij twee stralen perfect gesynchroniseerd zijn. De uitdaging is altijd geweest dat het maken van deze twee-straal-toestanden meestal een zeer specifiek, moeilijk te maken type licht vereist dat zich niet gedraagt als een normale golf. Deze vereiste heeft gefungeerd als een flessenhals, waardoor veel potentiële toepassingen niet uit het laboratorium konden treden.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om deze complexe toestanden te bouwen die de noodzaak voor die moeilijke startmaterialen wegneemt. In plaats van een zeldzame en exotische initiële toestand te vereisen, gebruikt hun methode alleen standaard, gemakkelijk te creëren lichtgolven. Het proces steunt op een specifieke interactie tussen lichtgolven die plaatsvindt binnen een gespecialiseerd circuit gemaakt van supergeleidende materialen. Door zorgvuldig te timen hoe deze golven interageren en vervolgens een specifiek type meting uit te voeren op een derde, hulpende golf, kunnen de onderzoekers signaleren wanneer de gewenste twee-straal-toestand succesvol is gecreëerd. Hun werk suggereert dat deze methode niet alleen theoretisch solide is, maar ook robuust genoeg om te werken in de echte wereld waar energie constant verloren gaat aan de omgeving.

De kern van deze nieuwe aanpak ligt in de manier waarop de onderzoekers het licht binnen een supergeleidend circuit manipuleren. In deze circuits gedraagt licht zich als golven die gevangen zitten in minuscule resonatoren. De onderzoekers maken gebruik van een natuurlijke eigenschap van de circuitmaterialen genaamd een "cross-Kerr-interactie". Dit effect zorgt ervoor dat de energie van één lichtgolf licht verschuift afhankelijk van hoeveel deeltjes, of fotonen, er aanwezig zijn in een naburige golf. Hoewel deze interactie natuurlijk voorkomt in deze apparaten, hebben de onderzoekers een protocol ontworpen om deze interactie te benutten. Ze beginnen met het voorbereiden van drie afzonderlijke lichtgolven. Twee hiervan zijn de hoofdgolven die bedoeld zijn om de uiteindelijke kattoestand te worden, en de derde is een hulpgolf die fungeert als een boodschapper. Alle drie beginnen als eenvoudige, standaard lichtgolven, die veel gemakkelijker te genereren zijn dan de exotische toestanden die vereist zijn door eerdere methoden.

Zodra de golven op hun plaats zijn, krijgen ze de kans om gedurende een precieze tijd met elkaar te interageren. Tijdens dit interval koppelt het cross-Kerr-effect het aantal deeltjes in de twee hoofdgolven aan de fase, of de timing, van de derde hulpgolf. Denk aan de hulpgolf als een wijzer van een klok die sneller of langzamer draait afhankelijk van hoeveel deeltjes er in de hoofdgolven aanwezig zijn. Nadat de interactieperiode eindigt, voeren de onderzoekers een meting uit op deze hulpgolf. Deze meting vernietigt de hoofdgolven niet; in plaats daarvan werkt het als een filter. Als de meetresultaten binnen een specifief bereik vallen, bevestigt dit dat de twee hoofdgolven zijn samengevallen in de gewenste complexe superpositie. Deze bevestiging is wat wetenschappers "heralding" (het aankondigen) van de toestand noemen. Het proces is probabilistisch, wat betekent dat het niet elke keer slaagt, maar wanneer het wel slaat, is het resultaat een hoogwaardige kattoestand.

De onderzoekers analyseerden hun idee met behulp van theoretische afleidingen die de rommelige realiteit van de fysieke wereld bevatten. In elk echt experiment lekt licht uit het circuit en gaat energie verloren aan de omgeving, wat de delicate kwantumtoestanden gewoonlijk ruïneert. Het team kwam tot de conclusie dat hun methode verrassend veerkrachtig is tegen dit verlies. Ze leidden af dat de omvang van de initiële hulpgolf een cruciale factor is. Als de hulpgolf te klein is, kan de meting verschillende uitkomsten niet duidelijk van elkaar onderscheiden. Als deze te groot is, zorgt de interactie met de omgeving ervoor dat de toestand degradeert voordat deze gemeten kan worden. Door een middenweg te vinden, identificeerden zij een optimale grootte voor de hulpgolf die een balans vindt tussen deze concurrerende effecten.

In hun analyse, waarbij parameters werden gebruikt die overeenkomen met huidige supergeleidende apparaten, toonden de onderzoekers aan dat zij deze twee-modus kattoestanden konden genereren met een fidelity, of nauwkeurigheid, van ongeveer 95 procent. Dit hoge niveau van nauwkeurigheid werd bereikt, zelfs rekening houdend met het verlies van fotonen, wat de primaire bron van ruis is in deze systemen. Het succespercentage voor het genereren van deze toestanden was ook aanzienlijk, waarbij de waarschijnlijkheid van een succesvolle run bijna 50 procent bereikte bij het overwegen van een reeks mogelijke uitkomsten. Dit is een cruciale bevinding omdat het aantoont dat de methode praktisch genoeg is voor huidige experimentele platforms. De onderzoekers merkten ook op dat hun aanpak niet beperkt is tot slechts twee golven; dezelfde logica kan worden uitgebreid om complexere toestanden te creëren die drie of meer golven omvatten, wat de deur opent naar nog rijkere kwantumstructuren.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving in de manier waarop wetenschappers de creatie van kwantumbronnen kunnen benaderen. Door aan te tonen dat complexe, foutcorrigerende toestanden gebouwd kunnen worden uit eenvoudige, Gaussische lichtgolven, heeft het team een belangrijke experimentele hindernis weggenomen. Eerdere methoden vereisten een toestand die al perfect voorbereid was, wat vaak het moeilijkste deel van het proces was. Dit nieuwe protocol draait de situatie om door eenvoudige ingrediënten en een slimme meting te gebruiken om het zware werk te verrichten. Het vermogen om deze toestanden met een hoge fidelity te genereren en zonder exotische initiële bronnen, suggereert dat de weg naar robuuste kwantumcomputers en sensoren duidelijker wordt. De onderzoekers hebben een blauwdruk geleverd die steunt op standaardcomponenten en natuurlijke interacties, waardoor de droom van grootschalige kwantumtechnologieën binnen handbereik lijkt te komen.