纠缠——将远程粒子或粒子组连接在一起，使得一个不能在没有另一个的情况下被描述——是改变现代技术面貌的量子革命的核心。虽然纠缠已在非常小的粒子中得到验证，但来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）安德鲁·克兰德教授实验室的新研究在考虑大规模，展示了两个声波谐振器之间的高保真纠缠。
“很多研究小组已经证明他们可以纠缠非常非常小的东西，甚至到单个电子。但在这里，我们能够展示两个巨大物体之间的纠缠，”联合第一作者、前UChicago PME和物理科学博士研究员、现任亚马逊网络服务量子计算中心的周明汉说。“我们在这项研究中展示的第二件事是我们的平台是可扩展的。如果你能够想象构建一个大型量子处理器，我们的平台就像是其中的一个单元。”
这种纠缠不是谐振器所组成的分子、原子或任何其他粒子之间的纠缠，而是占据谐振器的“声子”之间的纠缠。这些是纳米级的机械振动，如果有足够小的耳朵来听它们，就会被视为声音。
“声子是声音的量子粒子，”联合第一作者、UChicago PME克兰德实验室的博士后研究员乔弘说。“声子不是基本粒子。它是可能有千兆粒子共同运作的集体运动。这与其他纠缠单个电子、单个原子、单个光子的量子系统相比是宏观的。”
量子协奏曲
纠缠这种集体、像声音的运动长期以来一直是克兰德的研究重点。他的实验室是第一个弄清楚如何产生和探测单个声子的实验室，也是第一个纠缠两个声子的实验室。在UChicago PME攻读博士学位期间，乔参加了后者突破的研究团队，而周则参与了两者的工作。
最近，美国国防部将克兰德评为2024年瓦尼瓦·布什教员奖学金获得者，以追求基于声子的量子计算。
“传统观念认为量子力学主导最小尺度的物理，而经典物理则主导人类尺度，”克兰德说。“但通过纠缠巨大物体的集体运动的能力推动了这一边界。厄尔温·薛定谔的猫所在的领域随着每一次进步而变得更大。”
团队构建的设备围绕两个表面声波谐振器，这两个谐振器分别位于各自的芯片上，并具有各自的机械支撑结构，每个谐振器都连接到自己的超导量子比特。量子比特用于生成和探测纠缠的声子态。通过这个设备，克兰德小组的研究人员展示了大型谐振器可以在物理上分开的情况下进行量子纠缠，并且保持高保真度。
“之前，人们已经证明了存在纠缠，但保真度有限，”乔说。“我们在这里展示的是我们可以更进一步地准备更复杂的纠缠态，甚至可能添加逻辑编码。”
下一个障碍是时间，延长谐振器的寿命以增加量子相干性。更持久的纠缠将允许更强大的通信或分布式量子计算，这也是构建量子网络的两个主要目标。
“我们的机械谐振器寿命相对较短，这在这方面限制了性能，”周说。“下一步非常明确：我们将尝试提高机械谐振器的寿命。”
该小组希望将谐振器的寿命从目前的约300纳秒延长到超过100微秒。听起来可能很艰巨，但有几种现有的策略可以达到这种超过300倍的增长，周说。
“有不同的设备几何形状或量子声学中的不同方法可以实现如此长的寿命，但为了简化我们的实验，我们没有在这项初步研究中使用它们，”周说。
