Lumilikha ang quantum chip ng pagkakabuhol sa anim na sound mode at inililipat ito sa pagitan ng mga resonator

Magkasamang nagbabahagi ng quantum breakthrough ang dalawang acoustic resonator

Isang pangkat ng mga mananaliksik na pinamunuan ni Dian Tan ng Shenzhen International Quantum Academy, kasama ang University of Stuttgart at iba pang institusyon, ang nakalikha ng quantum entanglement na kinasasangkutan ng dalawa, apat at anim na acoustic mode sa isang hybrid chip. Nailipat din ng pangkat ang mga entangled state na kinasasangkutan ng dalawa at apat na mode sa pagitan ng dalawang magkahiwalay na mechanical resonator, na nagpakita kapwa ng paghahanda at paglilipat ng impormasyong quantum na dala ng mga panginginig.

Ang pinakamataas na nakuhang fidelity sa paghahanda ng isang entangled state ay 0.912 ± 0.003 para sa dalawang mode. Sinusukat ng fidelity kung gaano kalapit ang isang eksperimental na quantum state sa nilalayong state; ang 1 ay nangangahulugan ng perpektong pagtutugma. Ang mga katumbas na halaga para sa apat at anim na mode ay 0.790 ± 0.003 at 0.570 ± 0.001.

Ang pag-aaral sa Science, na pinamagatang Deterministic generation and distribution of genuine multipartite entanglement in macroscopic acoustic resonators, ay may petsa ng publikasyon na Oktubre 15, 2026. Inanunsyo ng institusyon sa Shenzhen ang pag-aaral noong Oktubre 16.

Pagsasama-sama sa eksperimento ang tatlong gawaing kakailanganin ng mas malaking acoustic quantum system: paglikha ng magkakabahaging quantum state, paglilipat ng mga ito sa pagitan ng mga hardware unit at pagsukat sa mga ito. Anim na acoustic mode ang kinasangkutan ng pinakamahirap na state na nilikha, samantalang dalawa at apat na mode naman ang kinasangkutan ng mga eksperimento sa paglilipat.

Paano nagdadala ng impormasyong quantum ang mga panginginig

Gumagamit ang chip ng mga phonon, ang mga quantum unit ng mekanikal na panginginig. Gaya ng papel ng photon sa liwanag, inilalarawan ng phonon ang isang tiyak na dami ng enerhiya sa isang quantum system.

Mga high overtone bulk acoustic resonator, o HBAR, ang mga mekanikal na device. Bawat isa ay sumusuporta sa maraming acoustic mode, o magkakaibang padron ng panginginig sa iba't ibang frequency. Kayang tumugtog ng isang instrumento ng ilang nota; gayundin, kayang lumikha ng ilang padron ng panginginig ang isang resonator, bagaman nangangailangan ng mas eksaktong kagamitan ang pagkontrol sa mga quantum state ng mga ito.

Kaakit-akit sa mga mananaliksik ang mga HBAR dahil pinagsasama ng mga ito ang maraming mode, medyo mahahabang panahon ng pag-iimbak at pagiging tugma sa integrasyon sa chip. Nagbibigay ang ilang mode sa loob ng iisang device ng ilang puwedeng paglagyan ng naka-encode na impormasyong quantum, kaya nababawasan ang pangangailangan ng hiwalay na mekanikal na piyesa para sa bawat mode.

Ano ang dahilan kung tunay ang entanglement?

Lumikha si Tan at ang kanyang mga kasamahan ng tunay na multipartite entanglement. Sa madaling salita, saklaw ng mga koneksiyong quantum ang buong pangkat ng mga mode na kalahok. Hindi mahahati ang state sa mas maliliit at magkakahiwalay na pangkat na nagtataglay ng lahat ng entanglement nito.

Halimbawa, iba ang kayarian ng anim na mode na nakaayos bilang tatlong magkakahiwalay na pares na entangled kaysa sa tunay na entanglement na pinagsasaluhan ng lahat ng anim. Nagbibigay sa mga mananaliksik ang huling uri ng kolektibong quantum resource na maaaring sumuporta sa mga operasyong sumasaklaw sa ilang bahagi ng processor o network.

Inilarawan ni Tan ang magkakabahaging koneksiyong ito bilang resource para sa mga quantum network na may maraming node at sa distributed quantum information processing. Ang node ay isang indibidwal na unit na kayang maghawak o magproseso ng impormasyong quantum. Sa distributed processing, hinahati ang isang gawain sa magkakaugnay na mga unit.

Ganito inilalarawan ng mga may-akda ng papel sa abstrak ang kanilang nagawa sa eksperimento:

Iniuulat namin ang paglikha at paglilipat ng tunay na multimode entanglement sa pagitan ng dalawang multimode acoustic resonator.

Tinutugunan ng hardware kapwa ang paglikha ng kolektibong state at ang kakayahang ilipat ang state na iyon sa pagitan ng magkakaibang mekanikal na device. Magkahiwalay na pangangailangan ang mga ito para mapag-ugnay ang mga acoustic quantum component sa isang mas malaking sistema.

Kinokontrol ng superconducting qubit ang ilang mode

Ikinabit ng mga mananaliksik ang mga acoustic resonator sa mga naiaangkop na superconducting qubit. Isang quantum unit ng impormasyon na kayang kontrolin ang qubit. Sa eksperimentong ito, nagsisilbing paraan ang mga qubit para ihanda, manipulahin at sukatin ang mga mekanikal na quantum state.

Maingat na idinisenyo ng pangkat ang distribusyon ng mga frequency ng acoustic mode at ang interaksiyon ng mga qubit at phonon. Dahil dito, malakas na nakipag-ugnayan ang isang superconducting qubit sa maraming mekanikal na mode, kaya nagkaroon ang mga mananaliksik ng daan upang maabot ang ilang padron ng panginginig sa pamamagitan ng iisang elemento ng pagkontrol.

Nangangahulugan ang malakas na coupling na sapat ang lakas ng interaksiyon para makontrol ang palitan ng impormasyong quantum bago manaig sa proseso ang mga pagkawala at hindi kanais-nais na pagkagambala. Mahalaga ang pagpili at pagkontrol sa ilang mode upang maging kapaki-pakinabang na quantum resource ang maraming padron ng panginginig ng isang resonator.

Pinagsasama ng nagresultang arkitektura ang iba't ibang uri ng quantum hardware: nag-iimbak ng acoustic state ang mga mekanikal na resonator, kinokontrol ng mga superconducting qubit ang mga ito, at pinagdurugtong ng isang naiaangkop na quantum coupler ang mga bahagi ng circuit. Batayan ng iminungkahing modular na disenyo ng pangkat ang integrasyon ng mga elementong ito sa isang chip.

Ano ang ipinakikita ng mga bilang sa paghahanda

Iniulat sa papel ng Science ang sumusunod na fidelity sa paghahanda ng mga target na entangled state:

• Dalawang mode: 0.912 ± 0.003, o 91.2% na fidelity.
• Apat na mode: 0.790 ± 0.003, o 79.0% na fidelity.
• Anim na mode: 0.570 ± 0.001, o 57.0% na fidelity.

Makikita sa pagbaba ang kapalit na kaakibat ng higit na pagiging komplikado. Sa pagdagdag mula dalawa tungong anim na kalahok na mode, bumaba nang 34.2 percentage point ang nasukat na fidelity. Pinalalaki ng mas maraming mode ang magkakabahaging quantum state, ngunit tumataas din ang mga hinihingi sa paghahanda at pagkontrol dito.

Inilalarawan ng fidelity ang pagkakahawig ng nasukat na state sa target na state. Ipinakikita ng kawalang-katiyakang nakasaad pagkatapos ng bawat halaga ang iniulat na uncertainty ng pagsukat na iyon. Ayon sa mga mananaliksik, tunay na entangled ang tatlong state na inihanda.

Inilarawan din ng mga may-akda ang kanilang pamamaraan bilang deterministic. Nangangahulugan ito na idinisenyong maganap ang paghahanda sa pamamagitan ng kontroladong pagkakasunod-sunod, sa halip na umasa sa pagpili sa paminsan-minsang matagumpay na mga random na pangyayari. Magkaibang aspekto ng performance ang deterministic na operasyon at fidelity: maaari pa ring hindi perpekto ang state kahit kontrolado ang pagkakasunod-sunod ng paghahanda.

Paglilipat ng entanglement sa pagitan ng mga mekanikal na node

Gumamit ang eksperimento sa paglilipat ng dalawang magkahiwalay na HBAR resonator na isinama sa mga superconducting qubit at naiaangkop na coupler sa iisang hybrid chip architecture. Nagpalitan ng impormasyong quantum ang pangkat sa pagitan ng mga resonator at naglipat ng mga entangled state mula sa isang mekanikal na node tungo sa isa pa.

Para sa mga state na may dalawang mode, 0.785 ± 0.006 ang iniulat na fidelity sa paglilipat. Para naman sa mga state na may apat na mode, 0.601 ± 0.006 ito. Katumbas ng mga ito ang 78.5% at 60.1%.

Pinalalawak ng mga resulta sa paglilipat ang eksperimento lampas sa paghahanda ng entanglement sa loob ng acoustic hardware. Nagpapakita ang mga ito ng paraan para mailipat ang magkakabahaging quantum state sa isa pang resonator, isang operasyong kailangan kapag kailangang mag-imbak o magproseso ng magkakaibang bahagi ng isang kalkulasyon ang magkakaibang node.

Dalawa at apat na mode ang saklaw ng mga ipinakitang paglilipat; susunod pang hakbang ang paglilipat sa anim na mode. Sa pagitan ng mga resonator sa iisang chip ginawa ang ipinakitang pagkakaugnay, at mapalalaki ang iminungkahing network sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mas maraming magkakaugnay na hardware unit.

Sinusukat ng dalawang qubit ang mas malaking acoustic state

Gumawa rin ang mga mananaliksik ng paraan para sa quantum state tomography na muling gumagamit ng mga superconducting qubit sa iba't ibang acoustic mode. Muling binubuo ng tomography ang isang quantum state mula sa maraming pagsukat na ginagawa sa paulit-ulit na paghahanda ng eksperimento.

Mahalaga ang hakbang na ito dahil bahagi lamang ng eksperimento ang pagbuo ng pagkakasunod-sunod para sa pagkontrol. Kailangan ng mga mananaliksik ng mga pagsukat na magpapakita ng aktuwal na nalikhang state, pati na ng mga ugnayan sa pagitan ng iba't ibang mode nito.

Dalawang superconducting qubit lamang ang ginamit ng pangkat para magsagawa ng tomography sa mga multimode entangled phonon state. Sa muling paggamit ng mga panukat na resource na iyon sa iba't ibang mode, naiwasan nilang maglaan ng hiwalay na measurement qubit para sa bawat acoustic mode.

Inilarawan ni Tan ang resulta bilang pinakamalawak na eksperimental na paglalarawan ng mga multimode phonon state na naiulat sa isang quantum acoustics platform noong panahong iyon. Tumutukoy ang pahayag na ito sa saklaw ng muling pagbubuo ng state. Ang praktikal na ambag ay isang paraan ng pagsukat na mas lubos na gumagamit ng limitadong bilang ng mga qubit habang lumalaki ang acoustic system.

Bakit mahalaga ang ayos ng chip

Tinutugunan ng two-dimensional chip architecture ng pangkat ang isang pisikal na limitasyong kinahaharap sa pagpapalawak ng mga eksperimentong ito. May mga hamon sa espasyo at pagdidisenyo ang mga tradisyonal na disenyong umaasa sa three-dimensional microwave cavity kapag sinusubukan ng mga mananaliksik na magdugtong ng mas maraming component.

Ayon kay Tan, nag-aalok ang chip approach ng modularity, integrasyon at puwang para sa pagpapalawak. Sa iminungkahing ayos, ikakabit ang magkakahiwalay na superconducting qubit sa magkakahiwalay na mekanikal na resonator, at pagdurugtungin naman ang mga qubit sa pamamagitan ng mga kontroladong coupler.

Makapagdaragdag ang bawat resonator ng maraming acoustic mode. Dahil dito, nag-aalok ang disenyo ng dalawang paraan ng pagpapalawak: pag-uugnay ng mas maraming resonator node at paggamit ng mas maraming mode na sinusuportahan ng bawat resonator.

Ipinakikita rin ng mga bilang sa paghahanda at paglilipat ang mga trabahong kailangan pang gawin. Bumaba ang fidelity nang dumami ang kalahok na mode, at mas mababa ang ipinakitang fidelity sa paglilipat kaysa sa katumbas na halaga sa paghahanda. Kakailanganin ng mas malaking processor na mapanatili ang mga kapaki-pakinabang na state habang dinaragdagan ang bilang ng mga mode at koneksiyon.

Mula sa eksperimentong ito tungo sa mas malaking network

Ang agarang nagawa ay isang plataporma sa laboratoryo na pinagsasama ang multimode entanglement, paglilipat sa pagitan ng mga mekanikal na node at muling pagbubuo ng state. Ganito ang pagkakasunod-sunod ng mga hakbang na naipakita at iminungkahi:

• Oktubre 15, 2026: Itinatala sa publikasyon ng Science ang paghahanda ng tunay na entangled state na may dalawa, apat at anim na mode, at ang paglilipat ng mga state na may dalawa at apat na mode.
• Oktubre 16, 2026: Inanunsyo ng institusyon sa Shenzhen ang mga resulta ng kolaborasyon at inilalarawan ang pamamaraan nito sa pagkontrol at pagsukat.
• Iminungkahing susunod na yugto: Magdagdag ng mas maraming HBAR resonator at superconducting qubit na pagdurugtungin sa pamamagitan ng mga kontroladong coupler upang mapalawak ang magagamit na mga resource para sa entanglement.

Walang ibinigay na petsa ang pangkat para sa mas malaking network. Direktang nakabatay ang panukala nito sa ipinakitang hardware: gumamit ng mga resonator bilang mga module, ng mga acoustic mode ng mga ito bilang quantum resource, at ng mga superconducting circuit para kontrolin at pag-ugnayin ang mga ito.

Konkreto ang ambag nito sa pananaliksik sa quantum computing. Ipinakikita ng eksperimento kung paano makapaghahati-hati ng iisang tunay na quantum state ang ilang vibration mode, kung paano maililipat ang entangled state sa pagitan ng mga resonator, at kung paano makatutulong ang dalawang qubit sa muling pagbubuo ng mas malaking acoustic state. Mas mahusay na fidelity at mas maraming magkakaugnay na node ang mga susunod na kailangan para mapalawak ang pamamaraang ito.

Mahahalagang Punto

• Naghanda ng tunay na entanglement na kinasasangkutan ng dalawa, apat at anim na acoustic mode ang pangkat ni Dian Tan at mga internasyonal na katuwang nito.
• 91.2%, 79.0% at 57.0% ang mga fidelity sa paghahanda, ayon sa pagkakasunod-sunod.
• Inilipat sa pagitan ng magkakahiwalay na resonator ang mga entangled state na may dalawa at apat na mode, sa fidelity na 78.5% at 60.1%.
• Muling ginamit ang dalawang superconducting qubit para buuing muli sa pamamagitan ng tomography ang mga multimode phonon state.
• Iminumungkahi ng pangkat na palawakin ang chip architecture sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga resonator, qubit at kontroladong koneksiyon.