ควอนตัมก้าวกระโดดในเทคโนโลยีออสซิลเลเตอร์เชิงกล

ควอนตัมก้าวกระโดดในเทคโนโลยีออสซิลเลเตอร์เชิงกล

ประทับเวลา: 11 สิงหาคม 2023 12:43 น.
โหนดต้นทาง: 2817575
11 ส.ค. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์มีความก้าวหน้าอย่างมากในการสร้างปรากฏการณ์ควอนตัมในระบบเครื่องกล สิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้เมื่อสิบห้าปีที่แล้วได้กลายเป็นความจริงแล้ว เมื่อนักวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างสถานะควอนตัมในวัตถุเชิงกลขนาดมหึมา ด้วยการต่อออสซิลเลเตอร์เชิงกลเหล่านี้เข้ากับโฟตอนแสง ที่เรียกว่า "ระบบออปโตเชิงกล" นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้ออสซิลเลเตอร์เย็นลงจนถึงระดับพลังงานต่ำสุดใกล้กับขีดจำกัดควอนตัม "บีบพวกมัน" เพื่อลดการสั่นสะเทือนมากยิ่งขึ้น และพันกันพวกมัน ซึ่งกันและกัน ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้เปิดโอกาสใหม่ๆ ในการตรวจจับควอนตัม การจัดเก็บข้อมูลขนาดกะทัดรัดในการประมวลผลควอนตัม การทดสอบพื้นฐานของแรงโน้มถ่วงควอนตัม และแม้กระทั่งในการค้นหาสสารมืด เพื่อให้ระบบออพโตเมคานิกส์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในระบบควอนตัม นักวิทยาศาสตร์ต้องเผชิญกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก ในด้านหนึ่ง ออสซิลเลเตอร์เชิงกลจะต้องถูกแยกออกจากสภาพแวดล้อมอย่างเหมาะสมเพื่อลดการสูญเสียพลังงาน ในทางกลับกัน พวกมันจะต้องเข้ากันได้ดีกับระบบทางกายภาพอื่นๆ เช่น เครื่องสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อควบคุมพวกมัน การสร้างสมดุลนี้ต้องอาศัยการเพิ่มอายุการใช้งานสถานะควอนตัมของออสซิลเลเตอร์ให้สูงสุด ซึ่งได้รับผลกระทบจากความผันผวนทางความร้อนของสภาพแวดล้อมและความไม่เสถียรของความถี่ของออสซิลเลเตอร์ ซึ่งเรียกในวงการนี้ว่า "ความเชื่อมโยง" นี่เป็นความท้าทายที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในระบบต่างๆ ตั้งแต่กระจกขนาดยักษ์ที่ใช้ในเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงไปจนถึงอนุภาคเล็กๆ ที่ติดอยู่ในสุญญากาศสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น คิวบิตตัวนำยิ่งยวดหรือตัวดักไอออน ระบบออปโตและระบบเครื่องกลไฟฟ้าในปัจจุบันยังคงแสดงอัตราการถอดรหัสที่สูงกว่า ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการของ Tobias J. Kippenberg ที่ EPFL ได้แก้ไขปัญหานี้ด้วยการพัฒนาแพลตฟอร์มออปโตเมติกส์ของวงจรตัวนำยิ่งยวดซึ่งแสดงให้เห็นถึงการแยกส่วนควอนตัมต่ำเป็นพิเศษในขณะที่ยังคงรักษาการเชื่อมต่อทางออพโตเมคานิกขนาดใหญ่ซึ่งส่งผลให้มีการควบคุมควอนตัมที่มีความเที่ยงตรงสูง ผลงานที่ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ (“ออสซิลเลเตอร์เชิงกลแบบบีบพร้อมการลดความเที่ยงควอนตัมในระดับมิลลิวินาที”). ระบบเครื่องกลไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดที่มีความเชื่อมโยงกันเป็นพิเศษ ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนของระบบเครื่องกลไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดที่มีความเชื่อมโยงกันเป็นพิเศษ (ภาพ: Amir Youssefi, EPFL) “พูดง่ายๆ ก็คือ เราได้แสดงให้เห็นถึงอายุการใช้งานของสถานะควอนตัมที่ยาวนานที่สุดเท่าที่เคยมีมาในออสซิลเลเตอร์เชิงกล ซึ่งสามารถใช้เป็นส่วนประกอบในการจัดเก็บข้อมูลควอนตัมในระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมและการสื่อสาร” Amir Youssefi ปริญญาเอกกล่าว นักเรียนที่เป็นผู้นำโครงการ “นี่เป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่และส่งผลกระทบต่อผู้ชมในวงกว้างในสาขาฟิสิกส์ควอนตัม วิศวกรรมไฟฟ้า และวิศวกรรมเครื่องกล” องค์ประกอบสำคัญของการพัฒนาครั้งนี้คือ "ตัวเก็บประจุแบบดรัมเฮดแบบช่องว่างสุญญากาศ" ซึ่งเป็นองค์ประกอบแบบสั่นที่ทำจากฟิล์มอะลูมิเนียมบางๆ ที่แขวนอยู่เหนือร่องลึกในซับสเตรตซิลิกอน ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบในการสั่นของออสซิลเลเตอร์และยังสร้างวงจรไมโครเวฟแบบเรโซแนนซ์อีกด้วย ด้วยเทคนิคการผลิตนาโนแฟบริเคชั่นแบบใหม่ ทีมงานลดการสูญเสียเชิงกลในตัวสะท้อนเสียงแบบดรัมเฮดได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยบรรลุอัตราการถอดรหัสความร้อนอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนที่เพียง 20 เฮิรตซ์ ซึ่งเทียบเท่ากับอายุการใช้งานในสถานะควอนตัมที่ 7.7 มิลลิวินาที ซึ่งนานที่สุดเท่าที่เคยมีมาในออสซิลเลเตอร์แบบกลไก การลดลงอย่างเห็นได้ชัดของการลดความสอดคล้องที่เกิดจากความร้อนทำให้นักวิจัยสามารถใช้เทคนิคการทำความเย็นแบบออพโตเมคานิกส์ ซึ่งส่งผลให้การยึดครองสถานะควอนตัมในสถานะพื้นดินมีความเที่ยงตรงถึง 93% ที่น่าประทับใจ นอกจากนี้ ทีมงานยังประสบความสำเร็จในการบีบเชิงกลให้ต่ำกว่าความผันผวนของจุดศูนย์ โดยมีค่า -2.7 dB “การควบคุมระดับนี้ช่วยให้เราสังเกตวิวัฒนาการอย่างอิสระของสถานะการบีบทางกล โดยคงพฤติกรรมควอนตัมของมันไว้เป็นระยะเวลา 2 มิลลิวินาที ต้องขอบคุณอัตราการดีเฟสบริสุทธิ์ที่ต่ำเป็นพิเศษเพียง 0.09 เฮิรตซ์ในออสซิลเลเตอร์เชิงกล” Shingo Kono กล่าว ซึ่งมีส่วนสนับสนุนการวิจัย “การแยกส่วนควอนตัมต่ำเป็นพิเศษดังกล่าวไม่เพียงเพิ่มความเที่ยงตรงของการควบคุมควอนตัมและการวัดของระบบกลไกขนาดมหภาคเท่านั้น แต่ยังจะได้รับประโยชน์อย่างเท่าเทียมกันเมื่อเชื่อมต่อกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวด และวางระบบในระบบพารามิเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบแรงโน้มถ่วงควอนตัม” Mahdi Chegnizadeh กล่าว สมาชิกอีกคนของทีมวิจัย “ระยะเวลาในการจัดเก็บที่ยาวนานกว่ามากเมื่อเทียบกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวดทำให้แพลตฟอร์มนี้เป็นตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบสำหรับแอปพลิเคชันการจัดเก็บควอนตัม”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค