Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

In de stille, supergekoelde wereld van quantumcomputing kijken wetenschappers vaak naar licht dat gevangen zit in minuscule elektrische circuits om informatie op te slaan. Deze circuits fungeren als hoogwaardige kamers waar microgolf-fotonen, de deeltjes licht op radiofrequenties, een lange tijd kunnen rondkaatsen zonder te verdwijnen. Omdat deze kamers zo goed zijn in het vasthouden van energie, bieden ze een enorme ruimte om complexe data op te slaan, veel groter dan wat eenvoudige tweetoestandschakelaars kunnen bevatten. Om deze data echter bruikbaar te maken, moeten onderzoekers in staat zijn om het met precisie te manipuleren. Ze moeten specifieke operaties uitvoeren op het licht zonder de rest van het systeem te verstoren. Jarenlang vertrouwde de standaardmanier om dit te doen op het verschuiven van de toonhoogte van het licht op basis van hoeveel deeltjes aanwezig zijn, een beetje zoals een gitaarsnaar van toon verandert wanneer je erop drukt. Maar deze methode heeft grenzen; het behandelt het licht als een passief object dat alleen zijn frequentie verschuift, in plaats van iets dat actief kan veranderen hoe sterk het interageert met de rest van de machine.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier ontdekt om veel dieper te gaan, waarbij ze een methode vonden waarbij het aantal deeltjes in één deel van het circuit direct bepaalt hoe sterk een specifieke interactie plaatsvindt in een ander deel, zonder het aantal deeltjes in het eerste deel te veranderen. Stel je een muzikant voor die een noot speelt op een piano, terwijl een tweede muzikant in de buurt een enkele toets ingedrukt houdt. In deze nieuwe opstelling verandert de actie van de tweede muzikant niet alleen de toonhoogte van de eerste noot, maar verandert het ook hoe hard of zacht de eerste muzikant een specieke akkoord kan spelen. Dit is niet slechts een subtiele verschuiving in toon; het is een fundamentele verandering in de sterkte van de verbinding tussen de twee. Door een speciale supergeleidende lus te gebruiken, een SQUID genoemd, die fungeert als een regelbare brug voor elektriciteit, modelleerden de onderzoekers een systeem waarbij de aanwezigheid van fotonen in een "controller"-modus de zeer regels van de interactie vormgeeft voor een "signaal"-modus.

De onderzoekers analyseerden een circuit waarin twee verschillende vibrerende elektrische modi dezelfde fysieke brug delen. Ze pompten deze brug met een ritmisch magnetisch signaal, een techniek bekend als flux-pompen, die is ontworpen om paren fotonen in de signaalmodus te creëren. Normaal gesproken, wanneer wetenschappers een dergelijk proces willen controleren, vertrouwen ze op het feit dat de aanwezigheid van andere deeltjes de frequentie van de interactie verschuift. Als de controller nul deeltjes heeft, resoneert het signaal op één frequentie; als er één heeft, resoneert het op een andere. Dit is een bekend effect genaamd de cross-Kerr-verschuiving. De onderzoekers ontdekten echter dat deze frequentieverschuiving slechts de helft van het verhaal was. Zelfs nadat ze het systeem zorgvuldig hadden afgestemd zodat het signaal perfect in resonantie was voor elk verschillend aantal controller-deeltjes, veranderde de sterkte van de interactie — de grootte van de kloof tussen de energieniveaus — nog steeds afhankelijk van hoeveel deeltjes er in de controller waren.

Om dit te begrijpen, moesten de onderzoekers kijken naar de ruwe wiskunde van de supergeleidende lus, die zich gedraagt als een golf die beschreven kan worden door een cosinusfunctie. Wanneer ze de exacte waarschijnlijkheid berekenden van het creëren van een paar fotonen in de signaalmodus terwijl de controller-modus onveranderd blijft, vonden ze dat het deeltenaantal van de controller direct in de formule voorkwam. Het was alsof de controller een geheim fluisterde aan de interactie, waardoor het volume werd aangepast zonder zelf een woord te spreken. Dit effect ontstaat omdat de kwantumfluctuaties van de controller-modus fysiek aanwezig zijn in hetzelfde niet-lineaire element als de signaalmodus. Zelfs als er geen energie wordt uitgewisseld tussen hen tijdens de specifieke transitie, wijzigt de loutere existentie van de controller-deeltjes het landschap waardoor het signaal reist.

Het team verifieerde deze ontdekking door een combinatie van geavanceerde wiskundige modellering en hoogprecisie numerieke simulaties. Ze vergeleken hun vereenvoudigde theorieën met een volledige, niet-geëxpandeerde simulatie van het circuit, die fungeert als een perfect referentiekader. De resultaten toonden aan dat de interactiesterkte aanzienlijk varieerde over de verschillende mogelijke toestanden van de controller. Bijvoorbeeld, wanneer de controller leeg was, had de interactie een specifieke sterkte. Wanneer de controller slechts één deeltje bevatte, nam de sterkte merkbaar af. Deze variatie was geen bijeffect van de frequentieverschuiving; het was een distinct, meetbare eigenschap van de interactie zelf. Door deze veranderingen in kaart te brengen, creëerden de onderzoekers een tweedimensionaal landschap waar zowel de toonhoogte als het volume van de interactie onafhankelijk van elkaar door de staat van de controller kunnen worden gecontroleerd.

Deze controle opent nieuwe mogelijkheden voor hoe kwantuminformatie kan worden verwerkt. Omdat de interactiesterkte afhangt van de staat van de controller, konden de onderzoekers een specifieke transitie binnen de signaalmodus selectief aansturen terwijl ze anderen negeerden. Ze demonstreerden dat door de pomp-frequentie naar een specifiek punt af te stemmen, ze het signaal van twee deeltjes naar vier deeltjes konden bewegen met hoge precisie, terwijl andere potentiële transities onaangetast bleven. Deze selectiviteit is cruciaal voor het bouwen van complexe kwantumgeheugens, waarbij men een enkele stuk informatie moet kunnen aanspreken zonder per ongeluk de buren te verstoren. De onderzoekers ontdekten dat ze een afweging konden maken tussen snelheid en precisie; door een zwakkere pomp te gebruiken, konden ze de selectie nog scherper maken, hoewel het langer zou duren om de operatie te voltooien.

Naast eenvoudige selectie onderzochten de onderzoekers wat er gebeurt wanneer de controller zich in een kwantumsuperpositie bevindt, een toestand waarin hij effectief twee verschillende aantallen deeltjes tegelijkertijd vasthoudt. In dit scenario volgt de signaalmodus niet slechts één pad, maar volgt het twee verschillende paden simultaan, elk bepaald door een verschillende staat van de controller. Omdat de interactiesterkte en resonantie verschillend zijn voor elk pad, evolueert het signaal op twee verschillende manieren tegelijkertijd. Dit creëert een diepe verbinding, of verstrengeling, tussen de controller en het signaal. De onderzoekers berekenden dat dit proces bijna één volledige eenheid aan verstrengeling kan genereren, een aanzienlijke hoeveelheid voor kwantumsystemen, waardoor de staat van de controller effectief gekoppeld wordt aan de staat van het signaal op een manier die niet klassiek beschreven kan worden.

Verder toonde het team aan dat dit mechanisme gebruikt kan worden om zeer complexe, niet-standaard kwantumtoestanden te creëren. Wanneer het signaal wordt aangedreven in een specifieke controller-sector, klimt het een ladder van energieniveaus op een manier die de vorm ervan vervormt, wat regio's van negatieve waarschijnlijkheid in de kwantumkaart creëert. Deze "negatieve" regio's zijn een kenmerk van werkelijk kwantumgedrag dat niet nagebootst kan worden door eenvoudige golven. De onderzoekers vonden dat ze door de juiste controller-toestand te kiezen, het signaal in dit hoog-niet-klassieke regime konden dwingen, terwijl signalen in andere controller-toestanden vrijwel volledig onveranderd bleven. Deze mogelijkheid om complexe kwantumdynamica aan te zetten met een eenvoudige schakelaar van de controller-toestand biedt een krachtig nieuw instrument voor het genereren van de exotische toestanden die nodig zijn voor geavanceerde kwantumfoutcorrectie en sensing.

De bevindingen waren niet enkel theoretisch; de onderzoekers boden een duidelijk stappenplan voor hoe dit in een echt laboratorium gebouwd kan worden. Ze identificeerden de specifieke condities die nodig zijn om dit effect te isoleren van andere ruisige signalen die in een echt circuit kunnen interfereren. Door ervoor te zorgen dat de frequenties van andere ongewenste modi ver genoeg verwijderd zijn van het pomp-signaal, kan de gewenste interactie duidelijk naar voren komen. Het team bevestigde dat de noodzakelijke componenten, zoals de supergeleidende lussen en de mogelijkheid om deze met magnetische velden te regelen, al beschikbaar zijn in de moderne hardware van kwantumcomputers. Dit betekent dat de occupation-controlled interactie geen verre droom is, maar een kenmerk dat kan worden ingebouwd in bestaande apparaten.

Uiteindelijk onthult dit werk een nieuwe laag van controle in de kwantumwereld. Het laat zien dat de staat van één deel van een systeem meer kan doen dan alleen de frequentie van een ander deel verschuiven; het kan de fundamentele sterkte van hun verbinding veranderen. Deze ontdekking gaat verder dan het idee van eenvoudige frequentie-afstemming en introduceert een methode waarbij de aard van de interactie conditioneel is aan de kwantumtoestand van een partner. Door deze conditionele dynamica te beheersen, kunnen wetenschappers nauwkeurigere, selectievere en krachtigere kwantummachines bouwen, die in staat zijn om licht te manipuleren op manieren die voorheen als onmogelijk werden beschouwd. Het vermogen om op aanvraag verstrengeling en complexe kwantumtoestanden te genereren, simpelweg door de controller in de juiste staat voor te bereiden, markeert een belangrijke stap voorwaarts in de praktische engineering van kwantumtechnologieën.