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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.
À l'Académie internationale quantique de Shenzhen, le groupe de Tan Dian a intriqué jusqu'à six modes phononiques sur une seule puce, et déplacé certains de ces états d'un résonateur acoustique à un autre. L'intrication est ce lien singulier entre objets quantiques qui préserve leurs corrélations, même lorsque les parties sont traitées séparément. Ici, les objets sont des vibrations à l'intérieur d'un solide, ce qui rend le résultat inhabituel.
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.
L'équipe a utilisé des résonateurs à ondes acoustiques de volume à haute harmonique, appelés HBAR, qui supportent de nombreux modes de vibration à longue durée de vie et peuvent être intégrés sur des puces. Les dispositifs antérieurs reposaient souvent sur des cavités micro-ondes tridimensionnelles. Ici, les chercheurs ont placé deux HBAR, des qubits supraconducteurs et un coupleur ajustable sur une même puce hybride bidimensionnelle. En ajustant l'écart entre les fréquences des modes acoustiques et le couplage qubit-phonon, un seul qubit pouvait se coupler fortement à plusieurs modes mécaniques. L'article rapporte des états réellement multipartites intriqués à deux, quatre et six modes, avec des fidélités de 0,912, 0,790 et 0,570. Tan explique qu'une intrication véritable signifie que les corrélations sont partagées par l'ensemble du système multimode et ne peuvent pas être découpées en morceaux intriqués plus petits et indépendants. La baisse régulière de la fidélité à mesure que le nombre de modes augmente montre à quelle vitesse la tâche se complique.
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.
Le transfert constitue la seconde moitié du résultat. Les états à deux modes et à quatre modes ont été transférés entre les deux résonateurs avec des fidélités de 0,785 et 0,601. Pour vérifier ces états, le groupe a mis au point une méthode de tomographie, c'est-à-dire une façon de reconstruire un état quantique à partir de mesures, qui réutilise un nombre limité de qubits pour plusieurs modes et ne nécessite que deux qubits supraconducteurs. L'équipe affirme qu'il s'agit de la plus grande caractérisation expérimentale d'un état phononique multimode sur une plateforme d'acoustique quantique à ce jour.
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.
Que change ce résultat pour le lecteur ? Pour l'instant, rien en dehors du laboratoire. Les chercheurs proposent aussi une architecture qui couple davantage de qubits à davantage de résonateurs grâce à des coupleurs contrôlables, avec pour objectif à long terme des réseaux quantiques modulaires à base de phonons. Ces réseaux seraient constitués de nœuds distincts reliés par des états quantiques véhiculés par les vibrations, mais l'article ne donne ni calendrier ni dispositif réalisable sur cette base. Le résultat démontre que les composants peuvent fonctionner ensemble, et la baisse des fidélités marque l'écart qui subsiste avant que l'approche puisse passer à grande échelle.
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.
Les travaux associent plusieurs institutions en plus de l'académie, notamment l'Université des sciences et de la technologie du Sud, l'antenne de Shenzhen du Laboratoire national de Hefei, l'université du Zhejiang et l'université de Jimei, ainsi que des collaborateurs de l'université de Stuttgart et de l'EPFL.