Un salt cuantic în tehnologia oscilatoarelor mecanice

Un salt cuantic în tehnologia oscilatoarelor mecanice

Marca temporală: 11 august 2023, ora 12:43
Nodul sursă: 2817575
11 august 2023 (Știri Nanowerk) În ultimul deceniu, oamenii de știință au făcut progrese uriașe în generarea de fenomene cuantice în sistemele mecanice. Ceea ce părea imposibil în urmă cu doar cincisprezece ani a devenit acum realitate, deoarece cercetătorii creează cu succes stări cuantice în obiecte mecanice macroscopice. Prin cuplarea acestor oscilatoare mecanice la fotonii de lumină – cunoscuți sub denumirea de „sisteme optomecanice”-, oamenii de știință au reușit să le răcească la cel mai scăzut nivel de energie aproape de limita cuantică, să le „strângă” pentru a-și reduce vibrațiile și mai mult și să le încurce. unul cu altul. Aceste progrese au deschis noi oportunități în detectarea cuantică, stocarea compactă în calculul cuantic, testele fundamentale ale gravitației cuantice și chiar în căutarea materiei întunecate. Pentru a opera eficient sisteme optomecanice în regim cuantic, oamenii de știință se confruntă cu o dilemă. Pe de o parte, oscilatoarele mecanice trebuie să fie izolate corespunzător de mediul lor pentru a minimiza pierderile de energie; pe de altă parte, ele trebuie să fie bine cuplate cu alte sisteme fizice, cum ar fi rezonatoarele electromagnetice pentru a le controla. Atingerea acestui echilibru necesită maximizarea duratei de viață a stării cuantice a oscilatorilor, care este afectată de fluctuațiile termice ale mediului și de instabilitatea frecvenței oscilatorilor - ceea ce este cunoscut în domeniu ca „decoerență”. Aceasta este o provocare persistentă în diverse sisteme, de la oglinzile gigantice utilizate în detectoarele de unde gravitaționale până la particule minuscule prinse în vid înalt. În comparație cu alte tehnologii precum qubiții supraconductori sau capcanele de ioni, sistemele opto- și electro-mecanice de astăzi arată în continuare rate de decoerență mai mari. Acum, oamenii de știință de la laboratorul lui Tobias J. Kippenberg de la EPFL au abordat problema prin dezvoltarea unei platforme optomecanice de circuit supraconductor care arată o decoerență cuantică ultra-scăzută, menținând în același timp un cuplaj optomecanic mare care are ca rezultat un control cuantic de înaltă fidelitate. Lucrarea este publicată recent în Fizica naturii („Un oscilator mecanic stors cu decoerență cuantică în milisecunde”). Sistem electro-mecanic supraconductor ultra-coerent Imagine cu microscop electronic de scanare a unui sistem electro-mecanic supraconductor ultra-coerent. (Imagine: Amir Youssefi, EPFL) „În cuvinte simple, am demonstrat cea mai lungă durată de viață în stare cuantică realizată vreodată într-un oscilator mecanic, care poate fi folosit ca componentă de stocare cuantică în sistemele de calcul și comunicații cuantice”, spune Amir Youssefi, doctor. student care a condus proiectul. „Aceasta este o mare realizare și are un impact asupra unei game largi de public din fizica cuantică, inginerie electrică și inginerie mecanică.” Elementul cheie al descoperirii este un „condensator cu cap de tobă cu gol”, un element vibrant format dintr-o peliculă subțire de aluminiu suspendată peste un șanț într-un substrat de siliciu. Condensatorul servește ca componentă vibrantă a oscilatorului și formează, de asemenea, un circuit rezonant cu microunde. Printr-o nouă tehnică de nanofabricare, echipa a redus semnificativ pierderile mecanice în rezonatorul de tobe, obținând o rată de decoerență termică fără precedent de numai 20 Hz, echivalent cu o durată de viață a stării cuantice de 7.7 milisecunde - cea mai lungă realizată vreodată într-un oscilator mecanic. Scăderea remarcabilă a decoerenței induse termic a permis cercetătorilor să folosească tehnica de răcire optomecanică, rezultând o fidelitate impresionantă de 93% a ocupării stării cuantice în starea fundamentală. În plus, echipa a realizat o stoarcere mecanică sub fluctuația în punctul zero a mișcării, cu o valoare de -2.7 dB. „Acest nivel de control ne permite să observăm evoluția liberă a stărilor mecanice comprimate, păstrându-și comportamentul cuantic pentru o perioadă extinsă de 2 milisecunde, datorită ratei excepțional de scăzute de defazare pură de numai 0.09 Hz în oscilatorul mecanic”, spune Shingo Kono. care au contribuit la cercetare. „O astfel de decoerență cuantică ultra-scăzută nu numai că crește fidelitatea controlului cuantic și măsurării sistemelor mecanice macroscopice, dar va beneficia în egală măsură de interfața cu qubiții supraconductori și plasează sistemul într-un regim de parametri adecvat pentru testele gravitației cuantice”, spune Mahdi Chegnizadeh. un alt membru al echipei de cercetare „Timpul de stocare considerabil mai lung în comparație cu qubiții supraconductori face ca platforma să fie candidatul perfect pentru aplicațiile de stocare cuantică”.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Nanowerk