Cip Kuantum Hasilkan Keterjeratan Merentasi Enam Mod Bunyi dan Memindahkannya antara Resonator

Dua resonator akustik berkongsi kelebihan kuantum

Pasukan penyelidik yang diketuai Dian Tan dari Akademi Kuantum Antarabangsa Shenzhen, dengan kerjasama Universiti Stuttgart dan institusi lain, telah menghasilkan keterjeratan kuantum yang melibatkan dua, empat dan enam mod akustik pada cip hibrid. Pasukan itu juga memindahkan keadaan terjerat yang melibatkan dua dan empat mod antara dua resonator mekanikal yang berasingan, sekali gus menunjukkan penyediaan dan pemindahan maklumat kuantum yang dibawa oleh getaran.

Keputusan terkuat bagi penyediaan keadaan terjerat ialah fideliti 0.912 ± 0.003 untuk dua mod. Fideliti mengukur sejauh mana keadaan kuantum eksperimen sepadan dengan keadaan yang disasarkan, dengan 1 mewakili padanan sempurna. Nilai sepadan ialah 0.790 ± 0.003 untuk empat mod dan 0.570 ± 0.001 untuk enam mod.

Kajian dalam Science, bertajuk Penjanaan dan pengagihan keterjeratan multipartit tulen secara deterministik dalam resonator akustik makroskopik, bertarikh penerbitan 15 Oktober 2026. Institut Shenzhen itu mengumumkan hasil kerja tersebut pada 16 Oktober.

Eksperimen ini menggabungkan tiga tugas yang diperlukan oleh sistem kuantum akustik lebih besar: menghasilkan keadaan kuantum bersama, memindahkannya antara unit perkakasan dan mengukurnya. Keadaan paling mencabar melibatkan enam mod akustik, manakala eksperimen pemindahan melibatkan dua dan empat mod.

Bagaimana getaran membawa maklumat kuantum

Cip itu menggunakan fonon, iaitu unit kuantum bagi getaran mekanikal. Fonon memainkan peranan dalam getaran yang sebanding dengan peranan foton dalam cahaya: ia menggambarkan jumlah tenaga diskret dalam sistem kuantum.

Peranti mekanikal itu ialah resonator akustik pukal overtone tinggi, atau HBAR. Setiap satu menyokong banyak mod akustik, iaitu corak getaran berbeza pada frekuensi berlainan. Sesuatu alat muzik boleh menghasilkan beberapa not; begitu juga resonator menyokong beberapa corak getaran, walaupun kawalan terhadap keadaan kuantumnya memerlukan peralatan yang jauh lebih tepat.

HBAR menarik minat penyelidik kerana menggabungkan berbilang mod, jangka hayat penyimpanan yang agak panjang dan keserasian dengan integrasi cip. Beberapa mod dalam satu peranti boleh menyediakan beberapa tempat untuk mengekodkan maklumat kuantum, sekali gus mengurangkan keperluan terhadap komponen mekanikal berasingan bagi setiap mod.

Apakah yang menjadikan keterjeratan itu tulen?

Tan dan rakan-rakannya menghasilkan keterjeratan multipartit tulen. Secara ringkas, hubungan kuantum itu melibatkan keseluruhan kumpulan mod yang mengambil bahagian. Keadaan tersebut tidak boleh dibahagikan kepada kumpulan kecil bebas yang merangkumi semua keterjeratannya.

Sebagai contoh, enam mod yang disusun sebagai tiga pasangan terjerat bebas mempunyai struktur berbeza daripada keterjeratan tulen yang dikongsi merentasi kesemua enam mod. Keadaan kedua menyediakan sumber kuantum kolektif yang boleh menyokong operasi merentasi beberapa bahagian pemproses atau rangkaian.

Tan menyifatkan hubungan bersama ini sebagai sumber untuk rangkaian kuantum dengan berbilang nod dan pemprosesan maklumat kuantum teragih. Nod ialah unit individu yang boleh menyimpan atau memproses maklumat kuantum. Pemprosesan teragih membahagikan sesuatu tugas antara unit-unit yang saling terhubung.

Penulis makalah itu menghuraikan pencapaian eksperimen mereka dalam abstraknya:

Kami melaporkan penjanaan dan pemindahan keterjeratan multimod tulen merentasi dua resonator akustik multimod.

Oleh itu, perkakasan tersebut menangani kedua-dua penghasilan keadaan kolektif dan keupayaan memindahkan keadaan itu antara peranti mekanikal yang berbeza. Kedua-duanya merupakan keperluan berasingan untuk menghubungkan komponen kuantum akustik menjadi sistem yang lebih besar.

Satu qubit superkonduktor mengawal beberapa mod

Penyelidik menghubungkan resonator akustik itu dengan qubit superkonduktor boleh tala. Qubit ialah unit maklumat kuantum yang boleh dikawal. Dalam eksperimen ini, qubit menyediakan cara untuk menyediakan, memanipulasi dan mengukur keadaan kuantum mekanikal.

Pasukan itu mereka bentuk taburan frekuensi mod akustik serta interaksi antara qubit dengan fonon secara teliti. Ini membolehkan satu qubit superkonduktor berinteraksi kuat dengan berbilang mod mekanikal, sekali gus memberi penyelidik akses kepada beberapa corak getaran melalui satu elemen kawalan bersama.

Gandingan kuat bermakna interaksi itu mencukupi untuk pertukaran maklumat kuantum terkawal sebelum kehilangan dan gangguan yang tidak diingini mengatasi proses tersebut. Pemilihan dan kawalan beberapa mod penting untuk menjadikan pelbagai corak getaran resonator sebagai sumber kuantum yang berguna.

Seni bina yang terhasil menggabungkan pelbagai jenis perkakasan kuantum: resonator mekanikal menyimpan keadaan akustik, qubit superkonduktor mengawalnya, dan pengganding kuantum boleh tala menghubungkan bahagian litar. Penyepaduan elemen-elemen ini pada cip menjadi asas reka bentuk modular yang dicadangkan pasukan itu.

Makna angka penyediaan

Makalah Science melaporkan fideliti berikut bagi penyediaan keadaan terjerat yang disasarkan:

• Dua mod: 0.912 ± 0.003, atau fideliti 91.2%.
• Empat mod: 0.790 ± 0.003, atau fideliti 79.0%.
• Enam mod: 0.570 ± 0.001, atau fideliti 57.0%.

Penurunan itu menunjukkan kos peningkatan kerumitan. Peralihan daripada dua kepada enam mod yang mengambil bahagian mengurangkan fideliti terukur sebanyak 34.2 mata peratusan. Lebih banyak mod membesarkan keadaan kuantum bersama, namun pada masa yang sama meningkatkan tuntutan terhadap penyediaan dan kawalan.

Fideliti menerangkan persamaan antara keadaan yang diukur dengan keadaan sasaran. Ketidakpastian yang ditunjukkan selepas setiap nilai ialah ketidakpastian yang dilaporkan bagi ukuran tersebut. Penyelidik mengenal pasti ketiga-tiga keadaan yang disediakan sebagai benar-benar terjerat.

Penulis turut menyifatkan pendekatan mereka sebagai deterministik. Ini bermakna penyediaan direka untuk berlaku melalui urutan terkawal, bukannya bergantung pada pemilihan kejadian rawak yang sekali-sekala berjaya. Operasi deterministik dan fideliti menerangkan aspek prestasi yang berbeza: urutan penyediaan terkawal masih boleh menghasilkan keadaan yang tidak sempurna.

Memindahkan keterjeratan antara nod mekanikal

Eksperimen pemindahan menggunakan dua resonator HBAR berasingan yang disepadukan dengan qubit superkonduktor dan pengganding boleh tala dalam seni bina cip hibrid yang sama. Pasukan itu menukar maklumat kuantum antara resonator dan memindahkan keadaan terjerat dari satu nod mekanikal ke nod yang lain.

Bagi keadaan yang melibatkan dua mod, fideliti pemindahan yang dilaporkan ialah 0.785 ± 0.006. Bagi keadaan yang melibatkan empat mod, nilainya ialah 0.601 ± 0.006. Dalam bentuk peratusan, nilai tersebut ialah 78.5% dan 60.1%.

Hasil pemindahan ini membawa eksperimen melangkaui penyediaan keterjeratan dalam perkakasan akustik. Ia menunjukkan satu kaedah untuk memindahkan keadaan kuantum bersama ke resonator lain, iaitu operasi yang diperlukan apabila nod berbeza perlu menyimpan atau memproses bahagian pengiraan yang berlainan.

Demonstrasi pemindahan yang dilaporkan merangkumi dua dan empat mod; peluasan pemindahan kepada enam mod merupakan tugas seterusnya. Sambungan yang ditunjukkan adalah antara resonator pada cip yang sama, manakala rangkaian lebih besar yang dicadangkan akan dibina dengan menambah lebih banyak unit perkakasan yang saling terhubung.

Dua qubit mengukur keadaan akustik yang lebih besar

Penyelidik turut membangunkan kaedah tomografi keadaan kuantum yang menggunakan semula qubit superkonduktor merentasi beberapa mod akustik. Tomografi membina semula keadaan kuantum daripada banyak ukuran yang dibuat pada penyediaan eksperimen berulang kali.

Langkah ini penting kerana menghasilkan urutan kawalan hanyalah sebahagian daripada eksperimen. Penyelidik memerlukan ukuran yang mendedahkan keadaan yang benar-benar dihasilkan, termasuk korelasi antara mod-modnya.

Pasukan itu hanya menggunakan dua qubit superkonduktor untuk menjalankan tomografi keadaan fonon terjerat multimod. Dengan menggunakan semula sumber ukuran itu merentasi mod berbeza, mereka tidak perlu menetapkan satu qubit pengukuran berasingan bagi setiap mod akustik.

Tan menyifatkan hasil itu sebagai pencirian eksperimen terbesar bagi keadaan fonon multimod yang dilaporkan pada platform akustik kuantum ketika itu. Dakwaan tersebut merujuk kepada skala pembinaan semula keadaan. Sumbangan praktikalnya ialah kaedah pengukuran yang memanfaatkan beberapa qubit yang terhad dengan lebih menyeluruh apabila sistem akustik berkembang.

Kenapa susun atur cip penting

Seni bina cip dua dimensi pasukan itu menangani kekangan fizikal dalam peluasan eksperimen ini. Reka bentuk tradisional yang bergantung pada rongga gelombang mikro tiga dimensi berdepan tuntutan ruang dan kejuruteraan apabila penyelidik cuba menghubungkan lebih banyak komponen.

Tan berkata pendekatan cip menawarkan modulariti, integrasi dan ruang untuk peluasan. Susunan yang dicadangkan akan menggandingkan qubit superkonduktor individu kepada resonator mekanikal berasingan, kemudian menghubungkan qubit itu melalui pengganding yang boleh dikawal.

Setiap resonator tambahan boleh menyumbang beberapa mod akustik. Oleh itu, reka bentuk itu menawarkan dua arah peluasan: menghubungkan lebih banyak nod resonator dan menggunakan lebih banyak mod yang disokong oleh setiap resonator.

Angka penyediaan dan pemindahan turut menunjukkan usaha yang masih diperlukan. Fideliti menurun apabila bilangan mod yang mengambil bahagian meningkat, manakala fideliti pemindahan yang ditunjukkan lebih rendah daripada nilai penyediaan sepadan. Pemproses yang lebih besar perlu mengekalkan keadaan yang berguna sambil meningkatkan bilangan mod dan sambungan.

Daripada eksperimen ini kepada rangkaian lebih besar

Pencapaian langsungnya ialah platform makmal yang menggabungkan keterjeratan multimod, pemindahan antara nod mekanikal dan pembinaan semula keadaan. Urutan langkah yang telah ditunjukkan dan dicadangkan ialah:

• 15 Oktober 2026: Penerbitan Science merekodkan penyediaan keadaan terjerat tulen yang melibatkan dua, empat dan enam mod, serta pemindahan yang melibatkan dua dan empat mod.
• 16 Oktober 2026: Institut Shenzhen mengumumkan hasil kerjasama itu dan menghuraikan pendekatannya terhadap kawalan dan pengukuran.
• Peringkat seterusnya yang dicadangkan: Tambah lebih banyak resonator HBAR dan qubit superkonduktor, yang dihubungkan melalui pengganding boleh kawal, untuk memperluas sumber keterjeratan yang tersedia.

Pasukan itu belum menetapkan tarikh bagi rangkaian yang lebih besar. Cadangannya dibina secara langsung berasaskan perkakasan yang telah ditunjukkan: gunakan resonator sebagai modul, mod akustiknya sebagai sumber kuantum, dan litar superkonduktor untuk mengawal serta menghubungkannya.

Bagi penyelidikan pengkomputeran kuantum, sumbangannya nyata. Eksperimen itu menunjukkan bagaimana beberapa mod getaran boleh berkongsi keadaan kuantum tulen, bagaimana keadaan terjerat boleh dipindahkan antara resonator, dan bagaimana dua qubit boleh membantu membina semula keadaan akustik yang lebih besar. Fideliti yang lebih baik dan lebih banyak nod yang saling terhubung merupakan keperluan seterusnya untuk meluaskan pendekatan itu.

Perkara Utama

• Pasukan Dian Tan dan rakan usaha sama antarabangsa menyediakan keterjeratan tulen yang melibatkan dua, empat dan enam mod akustik.
• Fideliti penyediaan masing-masing ialah 91.2%, 79.0% dan 57.0%.
• Keadaan terjerat yang melibatkan dua dan empat mod dipindahkan antara resonator berasingan, dengan fideliti 78.5% dan 60.1%.
• Dua qubit superkonduktor digunakan semula untuk membina semula keadaan fonon multimod melalui tomografi.
• Pasukan itu mencadangkan peluasan seni bina cip dengan lebih banyak resonator, qubit dan sambungan yang boleh dikawal.