Een kwantumsprong in mechanische oscillatortechnologie

Een kwantumsprong in mechanische oscillatortechnologie

Tijdstempel: 11 augustus 2023 12:43 uur
Bronknooppunt: 2817575
11 augustus 2023 (Nanowerk Nieuws) In het afgelopen decennium hebben wetenschappers enorme vooruitgang geboekt bij het genereren van kwantumfenomenen in mechanische systemen. Wat vijftien jaar geleden onmogelijk leek, is nu werkelijkheid geworden, nu onderzoekers met succes kwantumtoestanden creëren in macroscopische mechanische objecten. Door deze mechanische oscillatoren te koppelen aan lichtfotonen - bekend als "optomechanische systemen" -, zijn wetenschappers in staat geweest om ze af te koelen tot hun laagste energieniveau dicht bij de kwantumlimiet, ze "samen te knijpen" om hun trillingen nog verder te verminderen en ze te verstrengelen met elkaar. Deze vorderingen hebben nieuwe mogelijkheden geopend op het gebied van kwantumdetectie, compacte opslag in kwantumcomputing, fundamentele tests van kwantumzwaartekracht en zelfs bij het zoeken naar donkere materie. Om optomechanische systemen in het kwantumregime efficiënt te laten werken, staan ​​wetenschappers voor een dilemma. Aan de ene kant moeten de mechanische oscillatoren goed geïsoleerd zijn van hun omgeving om energieverlies te minimaliseren; aan de andere kant moeten ze goed gekoppeld zijn aan andere fysieke systemen zoals elektromagnetische resonatoren om ze te besturen. Om dit evenwicht te vinden, moet de levensduur van de kwantumtoestand van de oscillatoren worden gemaximaliseerd, die wordt beïnvloed door de thermische fluctuaties in hun omgeving en de instabiliteiten van de oscillatorenfrequentie - wat in het veld bekend staat als "decoherentie". Dit is een aanhoudende uitdaging in verschillende systemen, van de gigantische spiegels die worden gebruikt in zwaartekrachtgolfdetectoren tot kleine opgesloten deeltjes in hoogvacuüm. Vergeleken met andere technologieën zoals supergeleidende qubits of ionenvallen, vertonen de huidige opto- en elektromechanische systemen nog steeds hogere decoherentiesnelheden. Nu hebben wetenschappers van het laboratorium van Tobias J. Kippenberg van EPFL het probleem aangepakt door een supergeleidend circuit optomechanisch platform te ontwikkelen dat ultralage kwantumdecoherentie vertoont terwijl een grote optomechanische koppeling behouden blijft die resulteert in een uiterst betrouwbare kwantumcontrole. Het werk is onlangs gepubliceerd in Natuurfysica ("Een samengeperste mechanische oscillator met kwantumdecoherentie in milliseconden"). Ultra-coherent supergeleidend elektromechanisch systeem Scanning-elektronenmicroscoopbeeld van een ultracoherent supergeleidend elektromechanisch systeem. (Afbeelding: Amir Youssefi, EPFL) "In eenvoudige bewoordingen: we hebben de langste levensduur van de kwantumtoestand aangetoond die ooit is bereikt in een mechanische oscillator, die kan worden gebruikt als een kwantumopslagcomponent in kwantumcomputing- en communicatiesystemen", zegt Amir Youssefi, een PhD student die het project leidde. "Dit is een grote prestatie en heeft gevolgen voor een breed publiek in kwantumfysica, elektrotechniek en werktuigbouw." Het belangrijkste element van de doorbraak is een "vacuüm-gap drumhead-condensator", een vibrerend element gemaakt van een dunne aluminiumfilm die boven een sleuf in een siliciumsubstraat hangt. De condensator dient als de vibrerende component van de oscillator en vormt tevens een resonerende microgolfschakeling. Door een nieuwe nanofabricagetechniek heeft het team de mechanische verliezen in de trommelvelresonator aanzienlijk verminderd, waardoor een ongekende thermische decoherentiesnelheid van slechts 20 Hz werd bereikt, wat overeenkomt met een levensduur in de kwantumtoestand van 7.7 milliseconden - de langste ooit bereikt in een mechanische oscillator. Door de opmerkelijke afname van thermisch geïnduceerde decoherentie konden de onderzoekers optomechanische koeltechniek gebruiken, wat resulteerde in een indrukwekkende betrouwbaarheid van 93% van de bezetting van de kwantumtoestand in de grondtoestand. Bovendien bereikte het team mechanisch knijpen onder de nulpunt-fluctuatie van beweging, met een waarde van -2.7 dB. "Dit controleniveau stelt ons in staat om de vrije evolutie van mechanisch samengedrukte toestanden te observeren, waarbij het kwantumgedrag gedurende een langere periode van 2 milliseconden behouden blijft, dankzij de uitzonderlijk lage zuivere defaseringssnelheid van slechts 0.09 Hz in de mechanische oscillator", zegt Shingo Kono, die hebben meegewerkt aan het onderzoek. "Een dergelijke ultralage kwantumdecoherentie verhoogt niet alleen de getrouwheid van kwantumcontrole en meting van macroscopische mechanische systemen, maar zal evenzeer profiteren van de interactie met supergeleidende qubits en plaatst het systeem in een parameterregime dat geschikt is voor tests van kwantumzwaartekracht", zegt Mahdi Chegnizadeh, een ander lid van het onderzoeksteam "De aanzienlijk langere opslagtijd in vergelijking met supergeleidende qubits maakt het platform een ​​perfecte kandidaat voor kwantumopslagtoepassingen."

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk