Квантовый скачок в технологии механических осцилляторов

Квантовый скачок в технологии механических осцилляторов

Отметка времени: 11 августа 2023 г., 12:43
Исходный узел: 2817575
11 августа 2023 г. (Новости Наноуэрк) За последнее десятилетие ученые добились огромного прогресса в создании квантовых явлений в механических системах. То, что еще пятнадцать лет назад казалось невозможным, теперь стало реальностью, поскольку исследователи успешно создают квантовые состояния в макроскопических механических объектах. Связав эти механические осцилляторы со световыми фотонами, известными как «оптомеханические системы», ученые смогли охладить их до самого низкого энергетического уровня, близкого к квантовому пределу, «сжать их», чтобы еще больше уменьшить их вибрации, и запутать их. друг с другом. Эти достижения открыли новые возможности в квантовом восприятии, компактном хранении в квантовых вычислениях, фундаментальных тестах квантовой гравитации и даже в поиске темной материи. Чтобы эффективно управлять оптомеханическими системами в квантовом режиме, ученые сталкиваются с дилеммой. С одной стороны, механические генераторы должны быть должным образом изолированы от окружающей среды, чтобы свести к минимуму потери энергии; с другой стороны, они должны быть хорошо связаны с другими физическими системами, такими как электромагнитные резонаторы, чтобы управлять ими. Для достижения этого баланса требуется максимизировать время жизни квантового состояния осцилляторов, на которое влияют тепловые флуктуации окружающей их среды и нестабильность частоты осцилляторов — то, что в этой области известно как «декогеренция». Это постоянная проблема для различных систем, от гигантских зеркал, используемых в детекторах гравитационных волн, до крошечных захваченных частиц в высоком вакууме. По сравнению с другими технологиями, такими как сверхпроводящие кубиты или ионные ловушки, сегодняшние опто- и электромеханические системы по-прежнему демонстрируют более высокие скорости декогеренции. Теперь ученые из лаборатории Тобиаса Дж. Киппенберга в EPFL решили эту проблему, разработав оптомеханическую платформу со сверхпроводящей схемой, которая демонстрирует сверхнизкую квантовую декогерентность при сохранении большой оптомеханической связи, что приводит к высокоточному квантовому управлению. Работа недавно опубликована в Физика природы («Сжатый механический осциллятор с миллисекундной квантовой декогерентностью»). Ультракогерентная сверхпроводящая электромеханическая система Изображение сверхкогерентной сверхпроводящей электромеханической системы, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (Изображение: Амир Юссефи, EPFL) «Проще говоря, мы продемонстрировали самое долгое время жизни квантового состояния, когда-либо достигнутое в механическом осцилляторе, который можно использовать в качестве компонента квантового хранилища в системах квантовых вычислений и связи», — говорит Амир Юссефи, доктор философии. Студентка, руководившая проектом. «Это большое достижение, которое затрагивает широкий круг читателей в области квантовой физики, электротехники и машиностроения». Ключевым элементом прорыва является «вакуумно-щелевой барабанный конденсатор», вибрирующий элемент из тонкой алюминиевой пленки, подвешенный над канавкой в ​​кремниевой подложке. Конденсатор служит вибрирующим компонентом генератора, а также образует резонансный СВЧ-контур. С помощью новой технологии нанотехнологии команда значительно уменьшила механические потери в резонаторе барабанной пластины, достигнув беспрецедентной скорости тепловой декогеренции всего 20 Гц, что эквивалентно времени жизни квантового состояния 7.7 миллисекунды — самое долгое, когда-либо достигнутое в механическом осцилляторе. Заметное снижение термически индуцированной декогеренции позволило исследователям использовать технику оптомеханического охлаждения, что привело к впечатляющей 93-процентной точности занятия квантового состояния в основном состоянии. Кроме того, команда добилась механического сжатия ниже нулевой точки колебания движения со значением -2.7 дБ. «Этот уровень контроля позволяет нам наблюдать свободную эволюцию механических сжатых состояний, сохраняя свое квантовое поведение в течение длительного периода в 2 миллисекунды, благодаря исключительно низкой чистой скорости дефазировки всего 0.09 Гц в механическом осцилляторе», — говорит Шинго Коно, кто внес свой вклад в исследование. «Такая сверхнизкая квантовая декогерентность не только повышает точность квантового управления и измерения макроскопических механических систем, но также приносит пользу взаимодействию со сверхпроводящими кубитами и переводит систему в режим параметров, подходящий для испытаний квантовой гравитации», — говорит Махди Чегнизаде. другой член исследовательской группы: «Значительно большее время хранения по сравнению со сверхпроводящими кубитами делает платформу идеальным кандидатом для приложений квантового хранения».

Отметка времени:

Больше от нанотехнология