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At the International Quantum Academy in Shenzhen, Tan Dian's group has entangled up to six phonon modes on a single chip, and moved some of those states from one acoustic resonator to another. Entanglement is the strange link between quantum objects that keeps their correlations intact even when the parts are treated separately. Here the objects are vibrations inside a solid, which is what makes the result unusual.
En la Academia Internacional Cuántica de Shenzhen, el grupo de Tan Dian ha entrelazado hasta seis modos de fonones en un solo chip, y ha trasladado algunos de esos estados de un resonador acústico a otro. El entrelazamiento es ese extraño vínculo entre objetos cuánticos que mantiene sus correlaciones intactas incluso cuando las partes se tratan por separado. En este caso, los objetos son vibraciones dentro de un sólido, y eso es lo que hace inusual el resultado.
The team used high-overtone bulk acoustic wave resonators, called HBARs, which support many long-lived vibration modes and can be integrated on chips. Earlier setups often relied on three-dimensional microwave cavities. Here the researchers put two HBARs, superconducting qubits and a tunable coupler on one two-dimensional hybrid chip. By tuning the spacing of the acoustic mode frequencies and the qubit-phonon coupling, a single qubit could couple strongly to several mechanical modes. The paper reports genuinely multipartite entangled states of two, four and six modes, with fidelities of 0.912, 0.790 and 0.570. Tan explained that genuine entanglement means the correlations are shared by the whole multimode system and cannot be split into smaller, independent entangled pieces. The steady fall in fidelity as the number of modes grows shows how quickly the task gets harder.
El equipo utilizó resonadores de ondas acústicas de volumen de sobretonos elevados, llamados HBAR, que soportan numerosos modos de vibración de larga duración y pueden integrarse en chips. Los montajes anteriores se apoyaban a menudo en cavidades de microondas tridimensionales. Aquí, los investigadores colocaron dos HBAR, qubits superconductores y un acoplador ajustable en un mismo chip híbrido bidimensional. Ajustando la separación de las frecuencias de los modos acústicos y el acoplamiento qubit-fonón, un solo qubit pudo acoplarse fuertemente a varios modos mecánicos. El artículo informa de estados verdaderamente multipartitos entrelazados de dos, cuatro y seis modos, con fidelidades de 0,912, 0,790 y 0,570. Tan explicó que el entrelazamiento genuino significa que las correlaciones se comparten por todo el sistema multimodo y no pueden dividirse en piezas entrelazadas más pequeñas e independientes. La caída constante de la fidelidad a medida que aumenta el número de modos muestra lo rápido que se complica la tarea.
Transfer is the second half of the result. Two-mode and four-mode states moved between the two resonators with fidelities of 0.785 and 0.601. To check the states, the group built a tomography method, a way of reconstructing a quantum state from measurements, that reuses a limited number of qubits across modes and needs only two superconducting qubits. The team says this is the largest experimental characterization of a multimode phonon state on a quantum acoustics platform so far.
El traslado es la segunda parte del resultado. Los estados de dos y de cuatro modos se desplazaron entre los dos resonadores con fidelidades de 0,785 y 0,601. Para verificar los estados, el grupo desarrolló un método de tomografía, es decir, una forma de reconstruir un estado cuántico a partir de mediciones, que reutiliza un número limitado de qubits entre los distintos modos y solo necesita dos qubits superconductores. El equipo afirma que se trata de la mayor caracterización experimental de un estado de fonones multimodo en una plataforma de acústica cuántica hasta la fecha.
What changes for a reader? For now, nothing outside the lab. The researchers also propose an architecture that couples more qubits to more resonators through controllable couplers, with the long-term aim of modular phonon-based quantum networks. Those networks would be built from separate nodes linked by vibration-borne quantum states, and the paper does not give a timeline or a device that could be built on that basis. The result is a demonstration that the components can work together, and the falling fidelities mark the gap that remains before the approach could scale.
¿Qué cambia para el lector? De momento, nada fuera del laboratorio. Los investigadores también proponen una arquitectura que acopla más qubits a más resonadores mediante acopladores controlables, con el objetivo a largo plazo de crear redes cuánticas modulares basadas en fonones. Esas redes estarían formadas por nodos separados unidos por estados cuánticos transportados por vibraciones, aunque el artículo no ofrece un calendario ni un dispositivo que pudiera construirse con esa base. El resultado es una demostración de que los componentes pueden funcionar conjuntamente, y la caída de las fidelidades marca la distancia que aún queda antes de que el enfoque pueda escalarse.
The work involves several institutions beyond the academy, including Southern University of Science and Technology, the Shenzhen branch of Hefei National Laboratory, Zhejiang University and Jimei University, and collaborators at the University of Stuttgart and EPFL.
El trabajo involucra a varias instituciones además de la academia, entre ellas la Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología, la sucursal de Shenzhen del Laboratorio Nacional de Hefei, la Universidad de Zhejiang y la Universidad de Jimei, así como colaboradores de la Universidad de Stuttgart y de EPFL.