Et kvantesprang innen mekanisk oscillatorteknologi

Et kvantesprang innen mekanisk oscillatorteknologi

Tidsstempel: 11. august 2023 12:43
Kilde node: 2817575
11. august 2023 (Nanowerk Nyheter) I løpet av det siste tiåret har forskere gjort enorme fremskritt i å generere kvantefenomener i mekaniske systemer. Det som virket umulig for bare femten år siden, har nå blitt en realitet, ettersom forskere lykkes med å skape kvantetilstander i makroskopiske mekaniske objekter. Ved å koble disse mekaniske oscillatorene til lysfotoner - kjent som "optomekaniske systemer" - har forskere vært i stand til å kjøle dem ned til deres laveste energinivå nær kvantegrensen, "klemme dem" for å redusere vibrasjonene deres ytterligere, og vikle dem inn. med hverandre. Disse fremskrittene har åpnet for nye muligheter innen kvantesansing, kompakt lagring i kvantedatabehandling, grunnleggende tester av kvantetyngdekraft, og til og med i søket etter mørk materie. For å effektivt kunne operere optomekaniske systemer i kvanteregimet, står forskere overfor et dilemma. På den ene siden må de mekaniske oscillatorene være ordentlig isolert fra omgivelsene for å minimere energitapet; på den annen side må de være godt koblet til andre fysiske systemer som elektromagnetiske resonatorer for å kontrollere dem. Å finne denne balansen krever maksimering av oscillatorens kvantetilstandslevetid som påvirkes av miljøets termiske svingninger og oscillatorens frekvensinstabilitet – det som er kjent i feltet som "dekoherens". Dette er en vedvarende utfordring på tvers av ulike systemer, fra de gigantiske speilene som brukes i gravitasjonsbølgedetektorer til små fangede partikler i høyvakuum. Sammenlignet med andre teknologier som superledende qubits eller ionefeller, viser dagens opto- og elektromekaniske systemer fortsatt høyere dekoherenshastigheter. Nå har forskere ved laboratoriet til Tobias J. Kippenberg ved EPFL taklet problemet ved å utvikle en superledende krets optomekanisk plattform som viser ultralav kvantedekoherens samtidig som den opprettholder stor optomekanisk kobling som resulterer i en kvantekontroll med høy kvalitet. Verket er nylig publisert i Naturfysikk ("En sammenklemt mekanisk oscillator med millisekunders kvantedekoherens"). Ultrakoherent superledende elektromekanisk system Skanneelektronmikroskopbilde av et ultrakoherent superledende elektromekanisk system. (Bilde: Amir Youssefi, EPFL) "Med enkle ord demonstrerte vi den lengste kvantetilstandslevetiden som noen gang er oppnådd i en mekanisk oscillator, som kan brukes som en kvantelagringskomponent i kvanteberegnings- og kommunikasjonssystemer," sier Amir Youssefi, en PhD. student som ledet prosjektet. "Dette er en stor prestasjon og påvirker et bredt spekter av publikum innen kvantefysikk, elektroteknikk og maskinteknikk." Nøkkelelementet i gjennombruddet er en "vakuum-gap trommelhodekondensator", et vibrerende element laget av en tynn aluminiumsfilm hengt over en grøft i et silisiumsubstrat. Kondensatoren fungerer som den vibrerende komponenten i oscillatoren og danner også en resonansmikrobølgekrets. Gjennom en ny nanofabrikasjonsteknikk reduserte teamet de mekaniske tapene i trommelhoderesonatoren betydelig, og oppnådde en enestående termisk dekoherenshastighet på bare 20 Hz, tilsvarende en kvantetilstandlevetid på 7.7 millisekunder – den lengste som noen gang er oppnådd i en mekanisk oscillator. Den bemerkelsesverdige nedgangen i termisk indusert dekoherens tillot forskerne å bruke optomekanisk kjøleteknikk, noe som resulterte i en imponerende 93% trofasthet av kvantetilstanden i grunntilstanden. I tillegg oppnådde teamet mekanisk klemme under nullpunktsfluktuasjonen av bevegelse, med en verdi på -2.7 dB. "Dette kontrollnivået lar oss observere den frie utviklingen av mekaniske klemte tilstander som bevarer dens kvanteatferd i en lengre periode på 2 millisekunder, takket være den eksepsjonelt lave rene defaseringshastigheten på bare 0.09 Hz i den mekaniske oscillatoren," sier Shingo Kono, som har bidratt til forskningen. "Slik ultra-lav kvantedekoherens øker ikke bare nøyaktigheten til kvantekontroll og måling av makroskopiske mekaniske systemer, men vil like godt være til nytte for grensesnitt med superledende qubits og plasserer systemet i et parameterregime som er egnet for tester av kvantegravitasjon," sier Mahdi Chegnizadeh, et annet medlem av forskerteamet "Den betydelig lengre lagringstiden sammenlignet med superledende qubits gjør plattformen til en perfekt kandidat for kvantelagringsapplikasjoner."

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk