Ein Quantensprung in der mechanischen Oszillatortechnologie

11 (Nanowerk-Neuigkeiten) Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler enorme Fortschritte bei der Erzeugung von Quantenphänomenen in mechanischen Systemen gemacht. Was vor fünfzehn Jahren noch unmöglich schien, ist nun Realität geworden, da Forscher erfolgreich Quantenzustände in makroskopischen mechanischen Objekten erzeugen. Durch die Kopplung dieser mechanischen Oszillatoren mit Lichtphotonen – sogenannte „optomechanische Systeme“ – konnten Wissenschaftler sie auf ihr niedrigstes Energieniveau nahe der Quantengrenze abkühlen, sie „zusammendrücken“, um ihre Schwingungen noch weiter zu reduzieren, und sie verschränken miteinander. Diese Fortschritte haben neue Möglichkeiten in der Quantensensorik, der kompakten Speicherung im Quantencomputing, grundlegenden Tests der Quantengravitation und sogar bei der Suche nach dunkler Materie eröffnet. Um optomechanische Systeme im Quantenregime effizient zu betreiben, stehen Wissenschaftler vor einem Dilemma. Einerseits müssen die mechanischen Oszillatoren ordnungsgemäß von ihrer Umgebung isoliert sein, um Energieverluste zu minimieren. Andererseits müssen sie gut mit anderen physikalischen Systemen wie elektromagnetischen Resonatoren gekoppelt sein, um sie steuern zu können. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, muss die Quantenzustandslebensdauer der Oszillatoren maximiert werden, die durch die thermischen Schwankungen ihrer Umgebung und die Frequenzinstabilitäten der Oszillatoren beeinflusst wird – was in der Fachwelt als „Dekohärenz“ bezeichnet wird. Dies ist eine anhaltende Herausforderung in verschiedenen Systemen, von den riesigen Spiegeln, die in Gravitationswellendetektoren verwendet werden, bis hin zu winzigen eingefangenen Teilchen im Hochvakuum. Im Vergleich zu anderen Technologien wie supraleitenden Qubits oder Ionenfallen weisen heutige opto- und elektromechanische Systeme immer noch höhere Dekohärenzraten auf. Jetzt haben Wissenschaftler im Labor von Tobias J. Kippenberg an der EPFL das Problem angegangen, indem sie eine optomechanische Plattform mit supraleitenden Schaltkreisen entwickelt haben, die eine extrem niedrige Quantendekohärenz aufweist und gleichzeitig eine große optomechanische Kopplung aufrechterhält, die zu einer Quantenkontrolle mit hoher Wiedergabetreue führt. Die Arbeit wurde kürzlich in veröffentlicht Naturphysik („Ein gequetschter mechanischer Oszillator mit Millisekunden-Quantendekohärenz“). Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines ultrakohärenten supraleitenden elektromechanischen Systems. (Bild: Amir Youssefi, EPFL) „In einfachen Worten: Wir haben die längste Quantenzustandslebensdauer demonstriert, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde, der als Quantenspeicherkomponente in Quantencomputer- und Kommunikationssystemen verwendet werden kann“, sagt Amir Youssefi, ein Doktorand Student, der das Projekt geleitet hat. „Das ist ein großer Erfolg und beeinflusst ein breites Publikum in der Quantenphysik, Elektrotechnik und dem Maschinenbau.“ Das Schlüsselelement des Durchbruchs ist ein „Vakuumspalt-Trommelkopfkondensator“, ein vibrierendes Element aus einem dünnen Aluminiumfilm, der über einem Graben in einem Siliziumsubstrat hängt. Der Kondensator dient als schwingende Komponente des Oszillators und bildet außerdem einen resonanten Mikrowellenkreis. Durch eine neuartige Nanofabrikationstechnik reduzierte das Team die mechanischen Verluste im Trommelfellresonator erheblich und erreichte eine beispiellose thermische Dekohärenzrate von nur 20 Hz, was einer Quantenzustandslebensdauer von 7.7 Millisekunden entspricht – der längsten, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde. Der bemerkenswerte Rückgang der thermisch induzierten Dekohärenz ermöglichte den Forschern den Einsatz einer optomechanischen Kühltechnik, was zu einer beeindruckenden Genauigkeit der Quantenzustandsbesetzung im Grundzustand von 93 % führte. Darüber hinaus erreichte das Team eine mechanische Kompression unterhalb der Nullpunktsschwankung der Bewegung mit einem Wert von -2.7 dB. „Dieses Maß an Kontrolle ermöglicht es uns, die freie Entwicklung mechanisch gequetschter Zustände zu beobachten und dabei ihr Quantenverhalten über einen längeren Zeitraum von 2 Millisekunden beizubehalten, dank der außergewöhnlich niedrigen reinen Dephasierungsrate von nur 0.09 Hz im mechanischen Oszillator“, sagt Shingo Kono. wer zur Forschung beigetragen hat. „Eine solche extrem niedrige Quantendekohärenz erhöht nicht nur die Genauigkeit der Quantenkontrolle und -messung makroskopischer mechanischer Systeme, sondern wird auch der Schnittstelle mit supraleitenden Qubits zugute kommen und das System in einen Parameterbereich versetzen, der für Tests der Quantengravitation geeignet ist“, sagt Mahdi Chegnizadeh. ein weiteres Mitglied des Forschungsteams „Die deutlich längere Speicherzeit im Vergleich zu supraleitenden Qubits macht die Plattform zu einem perfekten Kandidaten für Quantenspeicheranwendungen.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63493.php