Ett kvantsprång inom mekanisk oscillatorteknik

Ett kvantsprång inom mekanisk oscillatorteknik

Tidsstämpel: 11 augusti 2023 12:43
Källnod: 2817575
11 augusti 2023 (Nanowerk Nyheter) Under det senaste decenniet har forskare gjort enorma framsteg när det gäller att generera kvantfenomen i mekaniska system. Det som verkade omöjligt för bara femton år sedan har nu blivit verklighet, eftersom forskare framgångsrikt skapar kvanttillstånd i makroskopiska mekaniska objekt. Genom att koppla dessa mekaniska oscillatorer till ljusfotoner - kända som "optomekaniska system" - har forskare kunnat kyla ner dem till deras lägsta energinivå nära kvantgränsen, "klämma ihop dem" för att minska deras vibrationer ytterligare och trassla in dem med varandra. Dessa framsteg har öppnat nya möjligheter inom kvantavkänning, kompakt lagring i kvantberäkningar, grundläggande tester av kvantgravitation och till och med i sökandet efter mörk materia. För att effektivt kunna driva optomekaniska system i kvantregimen står forskare inför ett dilemma. Å ena sidan måste de mekaniska oscillatorerna vara ordentligt isolerade från sin omgivning för att minimera energiförlusten; å andra sidan måste de vara väl kopplade till andra fysiska system såsom elektromagnetiska resonatorer för att styra dem. För att uppnå denna balans krävs att vi maximerar oscillatorernas kvanttillståndslivslängd som påverkas av deras miljös termiska fluktuationer och oscillatorfrekvensinstabiliteter – vad som inom området kallas "dekoherens". Detta är en ihållande utmaning i olika system, från de gigantiska speglarna som används i gravitationsvågsdetektorer till små fångade partiklar i högvakuum. Jämfört med andra teknologier som supraledande qubits eller jonfällor, visar dagens opto- och elektromekaniska system fortfarande högre dekoherenshastigheter. Nu har forskare vid Tobias J. Kippenbergs laboratorium vid EPFL tagit itu med problemet genom att utveckla en optomekanisk plattform för supraledande kretsar som visar ultralåg kvantdekoherens samtidigt som den bibehåller stor optomekanisk koppling som resulterar i en kvantkontroll med hög kvalitet. Verket har nyligen publicerats i Naturfysik ("En sammanpressad mekanisk oscillator med millisekunders kvantdekoherens"). Ultrakoherent supraledande elektromekaniskt system Svepelektronmikroskopbild av ett ultrakoherent supraledande elektromekaniskt system. (Bild: Amir Youssefi, EPFL) "Med enkla ord visade vi den längsta kvanttillståndslivslängden som någonsin uppnåtts i en mekanisk oscillator, som kan användas som en kvantlagringskomponent i kvantberäknings- och kommunikationssystem", säger Amir Youssefi, en doktorand. elev som ledde projektet. "Detta är en stor prestation och påverkar ett brett spektrum av publik inom kvantfysik, elektroteknik och maskinteknik." Nyckelelementet i genombrottet är en "vacuum-gap drumhead capacitor", ett vibrerande element tillverkat av en tunn aluminiumfilm upphängd över ett dike i ett kiselsubstrat. Kondensatorn fungerar som den vibrerande komponenten i oscillatorn och bildar också en resonansmikrovågskrets. Genom en ny nanotillverkningsteknik reducerade teamet avsevärt de mekaniska förlusterna i trumskinnsresonatorn, vilket uppnådde en oöverträffad termisk dekoherenshastighet på endast 20 Hz, vilket motsvarar en kvanttillståndslivslängd på 7.7 millisekunder – den längsta som någonsin uppnåtts i en mekanisk oscillator. Den anmärkningsvärda minskningen av termiskt inducerad dekoherens gjorde det möjligt för forskarna att använda optomekanisk kylningsteknik, vilket resulterade i en imponerande 93% trohet för kvanttillståndsockupationen i marktillståndet. Dessutom uppnådde teamet mekanisk klämning under nollpunktsfluktuationen för rörelse, med ett värde på -2.7 dB. "Denna nivå av kontroll tillåter oss att observera den fria utvecklingen av mekaniska pressade tillstånd som bevarar dess kvantbeteende under en längre period på 2 millisekunder, tack vare den exceptionellt låga rena avfasningshastigheten på endast 0.09 Hz i den mekaniska oscillatorn," säger Shingo Kono, som bidragit till forskningen. "Sådan ultralåg kvantdekoherens ökar inte bara tillförlitligheten för kvantkontroll och mätning av makroskopiska mekaniska system, utan kommer också att gynna gränssnittet med supraledande kvantbitar och placerar systemet i en parameterregim som är lämplig för tester av kvantgravitation," säger Mahdi Chegnizadeh, en annan medlem av forskargruppen "Den avsevärt längre lagringstiden jämfört med supraledande qubits gör plattformen till en perfekt kandidat för kvantlagringstillämpningar."

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk