Et kvantespring inden for mekanisk oscillatorteknologi

Et kvantespring inden for mekanisk oscillatorteknologi

Tidsstempel: 11. august 2023 kl. 12
Kildeknude: 2817575
11. august 2023 (Nanowerk nyheder) I løbet af det sidste årti har videnskabsmænd gjort enorme fremskridt med at generere kvantefænomener i mekaniske systemer. Hvad der syntes umuligt for kun femten år siden, er nu blevet en realitet, da forskere med succes skaber kvantetilstande i makroskopiske mekaniske objekter. Ved at koble disse mekaniske oscillatorer til lysfotoner - kendt som "optomekaniske systemer" - har forskere været i stand til at køle dem ned til deres laveste energiniveau tæt på kvantegrænsen, "klemme dem" for at reducere deres vibrationer endnu mere og vikle dem ind. med hinanden. Disse fremskridt har åbnet nye muligheder inden for kvantesansning, kompakt lagring i kvantecomputere, fundamentale test af kvantetyngdekraft og endda i søgen efter mørkt stof. For effektivt at drive optomekaniske systemer i kvanteregimet står forskerne over for et dilemma. På den ene side skal de mekaniske oscillatorer være korrekt isoleret fra deres omgivelser for at minimere energitab; på den anden side skal de være godt koblet til andre fysiske systemer såsom elektromagnetiske resonatorer for at styre dem. At finde denne balance kræver maksimering af oscillatorens kvantetilstandslevetid, der er påvirket af deres omgivelsers termiske udsving og oscillatorfrekvensinstabiliteter – det, der i feltet er kendt som "dekohærens". Dette er en vedvarende udfordring på tværs af forskellige systemer, fra de gigantiske spejle, der bruges i gravitationsbølgedetektorer til små fangede partikler i højvakuum. Sammenlignet med andre teknologier som superledende qubits eller ionfælder, viser nutidens opto- og elektromekaniske systemer stadig højere dekohærens. Nu har forskere ved Tobias J. Kippenbergs laboratorium ved EPFL tacklet problemet ved at udvikle en optomekanisk superledende kredsløbsplatform, der viser ultra-lav kvantedekohærens og samtidig opretholde en stor optomekanisk kobling, der resulterer i en højfidelitet kvantekontrol. Værket er for nylig udgivet i Naturfysik ("En sammenpresset mekanisk oscillator med millisekunders kvantedekohærens"). Ultrakohærent superledende elektromekanisk system Scannende elektronmikroskopbillede af et ultrakohærent superledende elektromekanisk system. (Billede: Amir Youssefi, EPFL) "Med enkle ord demonstrerede vi den længste kvantetilstandslevetid nogensinde opnået i en mekanisk oscillator, som kan bruges som en kvantelagringskomponent i kvanteberegnings- og kommunikationssystemer," siger Amir Youssefi, en ph.d. elev, der har ledet projektet. "Dette er en stor præstation og påvirker en bred vifte af publikum inden for kvantefysik, elektroteknik og maskinteknik." Nøgleelementet i gennembruddet er en "vacuum-gap drumhead capacitor", et vibrerende element lavet af en tynd aluminiumsfilm ophængt over en rende i et siliciumsubstrat. Kondensatoren tjener som den vibrerende komponent i oscillatoren og danner også et resonansmikrobølgekredsløb. Gennem en ny nanofabrikationsteknik reducerede holdet de mekaniske tab i trommeskinnets resonator betydeligt, hvilket opnåede en hidtil uset termisk dekohærenshastighed på kun 20 Hz, svarende til en kvantetilstandslevetid på 7.7 millisekunder – den længste nogensinde opnået i en mekanisk oscillator. Det bemærkelsesværdige fald i termisk induceret dekohærens gjorde det muligt for forskerne at bruge optomekanisk køleteknik, hvilket resulterede i en imponerende 93% troskab af kvantetilstandsbesættelsen i grundtilstanden. Derudover opnåede holdet mekanisk squeezing under nulpunktsudsvinget i bevægelse, med en værdi på -2.7 dB. "Dette niveau af kontrol giver os mulighed for at observere den frie udvikling af mekaniske klemte tilstande, der bevarer dens kvanteadfærd i en længere periode på 2 millisekunder, takket være den usædvanligt lave rene dephasing rate på kun 0.09 Hz i den mekaniske oscillator," siger Shingo Kono, der har bidraget til forskningen. "Sådan ultra-lav kvantedekohærens øger ikke kun pålideligheden af ​​kvantestyring og måling af makroskopiske mekaniske systemer, men vil lige så gavne interfacing med superledende qubits og placerer systemet i et parameterregime, der er egnet til test af kvantetyngdekraft," siger Mahdi Chegnizadeh, et andet medlem af forskerholdet "Den betydeligt længere lagringstid sammenlignet med superledende qubits gør platformen til en perfekt kandidat til kvantelagringsapplikationer."

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk