Kvantni preskok v tehnologiji mehanskih oscilatorjev

11. avgust 2023 (Nanowerk novice) V zadnjem desetletju so znanstveniki naredili izjemen napredek pri ustvarjanju kvantnih pojavov v mehanskih sistemih. Kar se je še pred petnajstimi leti zdelo nemogoče, je zdaj postalo resničnost, saj raziskovalci uspešno ustvarjajo kvantna stanja v makroskopskih mehanskih objektih. S povezovanjem teh mehanskih oscilatorjev s svetlobnimi fotoni – znanimi kot »optomehanski sistemi« – so jih znanstveniki lahko ohladili na najnižjo energijsko raven blizu kvantne meje, jih »stisnili«, da bi še bolj zmanjšali njihove vibracije, in jih zapletli. drug z drugim. Ta napredek je odprl nove priložnosti pri kvantnem zaznavanju, kompaktnem shranjevanju v kvantnem računalništvu, temeljnih testih kvantne gravitacije in celo pri iskanju temne snovi. Za učinkovito upravljanje optomehanskih sistemov v kvantnem režimu se znanstveniki soočajo z dilemo. Po eni strani morajo biti mehanski oscilatorji ustrezno izolirani od okolja, da se zmanjša izguba energije; po drugi strani pa morajo biti dobro povezani z drugimi fizičnimi sistemi, kot so elektromagnetni resonatorji, da jih nadzorujejo. Vzpostavitev tega ravnovesja zahteva maksimiranje življenjske dobe kvantnega stanja oscilatorjev, na katero vplivajo toplotna nihanja njihovega okolja in frekvenčne nestabilnosti oscilatorjev – kar je na tem področju znano kot »dekoherenca«. To je vztrajen izziv v različnih sistemih, od ogromnih zrcal, ki se uporabljajo v detektorjih gravitacijskih valov, do drobnih ujetih delcev v visokem vakuumu. V primerjavi z drugimi tehnologijami, kot so superprevodni kubiti ali ionske pasti, današnji opto- in elektromehanski sistemi še vedno kažejo višje stopnje dekoherence. Zdaj so se znanstveniki v laboratoriju Tobiasa J. Kippenberga pri EPFL lotili problema tako, da so razvili optomehansko platformo superprevodnega vezja, ki kaže ultra nizko kvantno dekoherenco, hkrati pa ohranja veliko optomehansko sklopitev, ki ima za posledico kvantno kontrolo visoke ločljivosti. Delo je bilo pred kratkim objavljeno v Naravna fizika ("Stisnjen mehanski oscilator z milisekundno kvantno dekoherenco"). Slika ultra-koherentnega superprevodnega elektromehanskega sistema z vrstičnim elektronskim mikroskopom. (Slika: Amir Youssefi, EPFL) »Preprosto povedano, dokazali smo najdaljšo življenjsko dobo kvantnega stanja, ki je bila kdaj dosežena v mehanskem oscilatorju, ki se lahko uporablja kot komponenta kvantnega shranjevanja v kvantnih računalniških in komunikacijskih sistemih,« pravi Amir Youssefi, doktor znanosti študent, ki je projekt vodil. "To je velik dosežek in vpliva na širok spekter občinstva v kvantni fiziki, elektrotehniki in strojništvu." Ključni element preboja je »kondenzator bobnaste glave z vakuumsko režo«, vibrirajoči element iz tanke aluminijaste folije, obešene na jarek v silikonskem substratu. Kondenzator služi kot vibrirajoča komponenta oscilatorja in tvori tudi resonančno mikrovalovno vezje. Z novo tehniko nanoizdelave je ekipa znatno zmanjšala mehanske izgube v resonatorju bobnaste glave in dosegla izjemno toplotno dekoherenčno stopnjo le 20 Hz, kar je enako življenjski dobi kvantnega stanja 7.7 milisekunde – najdaljše, kar je bilo kdaj doseženo v mehanskem oscilatorju. Izjemno zmanjšanje toplotno povzročene dekoherence je raziskovalcem omogočilo uporabo tehnike optomehanskega hlajenja, kar je povzročilo impresivno 93-odstotno natančnost zasedbe kvantnega stanja v osnovnem stanju. Poleg tega je ekipa dosegla mehansko stiskanje pod ničelno točko fluktuacije gibanja z vrednostjo -2.7 dB. "Ta raven nadzora nam omogoča opazovanje prostega razvoja mehanskih stisnjenih stanj, ki ohranjajo svoje kvantno obnašanje za daljše obdobje 2 milisekund, zahvaljujoč izjemno nizki čisti stopnji defaziranja le 0.09 Hz v mehanskem oscilatorju," pravi Shingo Kono, ki je prispeval k raziskavi. "Takšna ultra-nizka kvantna dekoherenca ne samo poveča natančnost kvantnega nadzora in merjenja makroskopskih mehanskih sistemov, ampak bo enako koristila povezovanju s superprevodnimi kubiti in postavi sistem v režim parametrov, primeren za teste kvantne gravitacije," pravi Mahdi Chegnizadeh, drugi član raziskovalne skupine "Zaradi precejšnjega daljšega časa shranjevanja v primerjavi s superprevodnimi kubiti je platforma popoln kandidat za aplikacije kvantnega shranjevanja."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63493.php