機械振動子技術の飛躍的な進歩

機械振動子技術の飛躍的な進歩

タイムスタンプ：11年2023月12日43:XNUMX
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11 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkニュース) 過去 XNUMX 年間、科学者は機械システムにおける量子現象の生成において大きな進歩を遂げてきました。 わずか XNUMX 年前には不可能と思われていたことが、研究者らが巨視的な機械的物体の中に量子状態を作り出すことに成功し、今では現実になりました。 これらの機械的発振器を「光機械システム」として知られる光子に結合することにより、科学者はそれらを量子限界に近い最低エネルギーレベルまで冷却し、「絞る」ことで振動をさらに低減し、それらを絡ませることができた。お互いに。 これらの進歩は、量子センシング、量子コンピューティングにおけるコンパクトストレージ、量子重力の基礎テスト、さらには暗黒物質の探索においても新たな機会を切り開きました。 量子領域で光機械システムを効率的に動作させるために、科学者はジレンマに直面しています。 一方で、機械振動子は、エネルギー損失を最小限に抑えるために環境から適切に隔離されなければなりません。 一方で、制御するには電磁共振器などの他の物理システムと適切に結合する必要があります。 このバランスをとるには、環境の熱揺らぎや発振器の周波数不安定性（この分野では「デコヒーレンス」として知られているもの）の影響を受ける発振器の量子状態寿命を最大化する必要があります。 これは、重力波検出器で使用される巨大なミラーから高真空に閉じ込められた小さな粒子に至るまで、さまざまなシステムにわたる永続的な課題です。 超伝導量子ビットやイオントラップなどの他の技術と比較して、今日の光および電気機械システムは依然として高いデコヒーレンス率を示しています。 現在、EPFL の Tobias J. Kippenberg の研究室の科学者たちは、高忠実度の量子制御をもたらす大きな光機械結合を維持しながら、超低量子デコヒーレンスを示す超伝導回路光機械プラットフォームを開発することで、この問題に取り組んでいます。 この作品は最近出版されました 自然物理学 (「ミリ秒の量子デコヒーレンスを備えたスクイーズド機械発振器」). 超コヒーレント超伝導電気機械システム 超コヒーレント超伝導電気機械システムの走査型電子顕微鏡画像。 (画像: Amir Youssefi、EPFL) 「簡単に言うと、機械発振器でこれまでに達成された最長の量子状態寿命を実証しました。これは、量子コンピューティングおよび通信システムの量子記憶コンポーネントとして使用できます。」と博士の Amir Youssefi は述べています。プロジェクトを主導した学生。 「これは大きな成果であり、量子物理学、電気工学、機械工学の幅広い分野の人々に影響を与えます。」 この画期的な進歩の鍵となる要素は、シリコン基板のトレンチ上に吊り下げられた薄いアルミニウム膜で作られた振動要素である「真空ギャップ ドラムヘッド コンデンサ」です。 コンデンサは発振器の振動部品として機能し、共振マイクロ波回路も形成します。 新しいナノ製造技術により、チームはドラムヘッド共振器の機械的損失を大幅に削減し、わずか 20 Hz という前例のない熱デコヒーレンス率を達成しました。これは、機械的発振器でこれまでに達成された最長の量子状態寿命 7.7 ミリ秒に相当します。 熱誘起デコヒーレンスの顕著な減少により、研究者は光機械冷却技術を使用できるようになり、その結果、基底状態における量子状態占有の忠実度が 93% という驚異的な結果となりました。 さらに、チームは動きのゼロ点変動を下回る機械的スクイーズを達成し、その値は -2.7 dB でした。 「このレベルの制御により、機械的発振器のわずか 2 Hz という非常に低い純粋なディフェーズ率のおかげで、量子挙動を 0.09 ミリ秒の長期間維持しながら、機械的スクイーズド状態の自由な進化を観察することができます」と河野真吾氏は述べています。研究に貢献した人。 「このような超低量子デコヒーレンスは、巨視的な機械システムの量子制御と測定の忠実度を高めるだけでなく、超伝導量子ビットとのインターフェースにも同様の恩恵をもたらし、量子重力のテストに適したパラメータ領域にシステムを配置します」とマハディ・チェグニザデ氏は述べています。研究チームの別のメンバーは「超伝導量子ビットに比べて保存時間がかなり長いため、このプラットフォームは量子ストレージアプリケーションの完璧な候補となる。」と述べた。

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