Un salto di qualità nella tecnologia degli oscillatori meccanici

11 ago 2023 (Notizie Nanowerk) Nell'ultimo decennio, gli scienziati hanno compiuto enormi progressi nella generazione di fenomeni quantistici nei sistemi meccanici. Ciò che sembrava impossibile solo quindici anni fa è ora diventato una realtà, poiché i ricercatori creano con successo stati quantistici in oggetti meccanici macroscopici. Accoppiando questi oscillatori meccanici a fotoni luminosi, noti come "sistemi optomeccanici", gli scienziati sono stati in grado di raffreddarli fino al loro livello di energia più basso vicino al limite quantico, "comprimerli" per ridurre ulteriormente le loro vibrazioni e intrappolarli insieme. Questi progressi hanno aperto nuove opportunità nel rilevamento quantistico, nell'archiviazione compatta nell'informatica quantistica, nei test fondamentali della gravità quantistica e persino nella ricerca della materia oscura. Per far funzionare in modo efficiente i sistemi optomeccanici nel regime quantistico, gli scienziati devono affrontare un dilemma. Da un lato, gli oscillatori meccanici devono essere adeguatamente isolati dal loro ambiente per ridurre al minimo la perdita di energia; d'altra parte, devono essere ben accoppiati ad altri sistemi fisici come i risonatori elettromagnetici per controllarli. Raggiungere questo equilibrio richiede la massimizzazione della durata dello stato quantico degli oscillatori che è influenzata dalle fluttuazioni termiche del loro ambiente e dalle instabilità di frequenza degli oscillatori, ciò che è noto nel campo come "decoerenza". Questa è una sfida persistente in vari sistemi, dai giganteschi specchi utilizzati nei rilevatori di onde gravitazionali alle minuscole particelle intrappolate nell'alto vuoto. Rispetto ad altre tecnologie come i qubit superconduttori o le trappole ioniche, i sistemi opto ed elettromeccanici di oggi mostrano ancora tassi di decoerenza più elevati. Ora, gli scienziati del laboratorio di Tobias J. Kippenberg all'EPFL hanno affrontato il problema sviluppando una piattaforma optomeccanica a circuito superconduttore che mostra una decoerenza quantistica estremamente bassa pur mantenendo un grande accoppiamento optomeccanico che si traduce in un controllo quantistico ad alta fedeltà. L'opera è stata recentemente pubblicata in Fisica della natura ("Un oscillatore meccanico compresso con decoerenza quantistica di millisecondi"). Immagine al microscopio elettronico a scansione di un sistema elettromeccanico superconduttore ultracoerente. (Immagine: Amir Youssefi, EPFL) "In parole semplici, abbiamo dimostrato la durata dello stato quantico più lunga mai raggiunta in un oscillatore meccanico, che può essere utilizzato come componente di archiviazione quantistica nei sistemi di calcolo e comunicazione quantistici", afferma Amir Youssefi, PhD studente che ha guidato il progetto. "Questo è un grande risultato e ha un impatto su una vasta gamma di pubblico in fisica quantistica, ingegneria elettrica e ingegneria meccanica". L'elemento chiave della svolta è un "condensatore a tamburo vuoto", un elemento vibrante costituito da un sottile film di alluminio sospeso su una trincea in un substrato di silicio. Il condensatore funge da componente vibrante dell'oscillatore e forma anche un circuito a microonde risonante. Attraverso una nuova tecnica di nanofabbricazione, il team ha ridotto significativamente le perdite meccaniche nel risonatore della pelle del tamburo, raggiungendo un tasso di decoerenza termica senza precedenti di soli 20 Hz, equivalente a una durata dello stato quantico di 7.7 millisecondi, la più lunga mai raggiunta in un oscillatore meccanico. La notevole diminuzione della decoerenza indotta termicamente ha permesso ai ricercatori di utilizzare la tecnica del raffreddamento optomeccanico, ottenendo un'impressionante fedeltà del 93% dell'occupazione dello stato quantico nello stato fondamentale. Inoltre, il team ha ottenuto una compressione meccanica al di sotto della fluttuazione del movimento del punto zero, con un valore di -2.7 dB. "Questo livello di controllo ci consente di osservare la libera evoluzione degli stati compressi meccanici preservandone il comportamento quantistico per un periodo esteso di 2 millisecondi, grazie al tasso di sfasamento puro eccezionalmente basso di soli 0.09 Hz nell'oscillatore meccanico", afferma Shingo Kono, che hanno contribuito alla ricerca. "Tale decoerenza quantistica ultra-bassa non solo aumenta la fedeltà del controllo quantistico e la misurazione dei sistemi meccanici macroscopici, ma gioverà ugualmente all'interfacciamento con i qubit superconduttori e pone il sistema in un regime di parametri adatto per i test di gravità quantistica", afferma Mahdi Chegnizadeh, un altro membro del gruppo di ricerca "Il tempo di archiviazione notevolmente più lungo rispetto ai qubit superconduttori rende la piattaforma un candidato perfetto per le applicazioni di archiviazione quantistica".

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