Квантовий стрибок у технології механічних осциляторів

Квантовий стрибок у технології механічних осциляторів

Мітка часу: 11 серпня 2023 р., 12:43
Вихідний вузол: 2817575
11 серпня 2023 (Новини Nanowerk) За останнє десятиліття вчені досягли величезного прогресу у створенні квантових явищ у механічних системах. Те, що здавалося неможливим лише п’ятнадцять років тому, тепер стало реальністю, оскільки дослідники успішно створюють квантові стани в макроскопічних механічних об’єктах. З’єднавши ці механічні осцилятори з фотонами світла – відомі як «оптико-механічні системи» – вчені змогли охолодити їх до найнижчого енергетичного рівня, близького до квантової межі, «стиснути» їх, щоб ще більше зменшити їхні вібрації, і сплутати їх один з одним. Ці досягнення відкрили нові можливості для квантового зондування, компактного зберігання даних у квантових обчисленнях, фундаментальних випробувань квантової гравітації та навіть у пошуках темної матерії. Щоб ефективно працювати з оптико-механічними системами в квантовому режимі, вчені стикаються з дилемою. З одного боку, механічні осцилятори повинні бути належним чином ізольовані від середовища, щоб мінімізувати втрати енергії; з іншого боку, вони повинні бути добре пов’язані з іншими фізичними системами, такими як електромагнітні резонатори, щоб керувати ними. Встановлення цього балансу вимагає максимізації тривалості квантового стану осциляторів, на який впливають термічні флуктуації навколишнього середовища та нестабільності частоти осциляторів – те, що в цій галузі називається «декогеренцією». Це постійний виклик для різних систем, від гігантських дзеркал, що використовуються в детекторах гравітаційних хвиль, до крихітних часток, захоплених у високому вакуумі. У порівнянні з іншими технологіями, такими як надпровідні кубіти або іонні пастки, сучасні опто- та електромеханічні системи все ще демонструють вищі показники декогеренції. Тепер вчені з лабораторії Тобіаса Дж. Кіппенберга в EPFL вирішили цю проблему, розробивши оптико-механічну платформу надпровідної схеми, яка демонструє наднизьку квантову декогеренцію, зберігаючи при цьому великий оптико-механічний зв’язок, що забезпечує високоточне квантове керування. Твір нещодавно опубліковано в Фізика природи («Стиснутий механічний осцилятор з мілісекундною квантовою декогерентністю»). Ультракогерентна надпровідна електромеханічна система Зображення ультракогерентної надпровідної електромеханічної системи, отримане скануючим електронним мікроскопом. (Зображення: Амір Юсефі, EPFL) «Простими словами, ми продемонстрували найдовшу тривалість квантового стану, коли-небудь досягнуту в механічному осциляторі, який можна використовувати як компонент квантової пам’яті в системах квантового обчислення та зв’язку», — каже Амір Юсефі, доктор філософії. студент, який керував проектом. «Це велике досягнення, яке впливає на широке коло аудиторій у квантовій фізиці, електротехніці та машинобудуванні». Ключовим елементом прориву є «конденсатор барабанної головки з вакуумним проміжком», вібруючий елемент, виготовлений з тонкої алюмінієвої плівки, підвішеної над канавкою в кремнієвій підкладці. Конденсатор служить вібруючим компонентом генератора, а також утворює резонансний мікрохвильовий контур. За допомогою нової техніки нанофабрикації команда значно зменшила механічні втрати в резонаторі барабанної головки, досягнувши безпрецедентної частоти теплової декогеренції лише 20 Гц, що еквівалентно тривалості квантового стану 7.7 мілісекунд – найдовшому коли-небудь досягнутому в механічному осциляторі. Чудове зниження термічно індукованої декогеренції дозволило дослідникам використати техніку оптико-механічного охолодження, що призвело до вражаючої 93% точності заповнення квантового стану в основному стані. Крім того, команда досягла механічного стискання нижче нульової точки флуктуації руху зі значенням -2.7 дБ. «Цей рівень контролю дозволяє нам спостерігати вільну еволюцію механічних стиснутих станів, зберігаючи їх квантову поведінку протягом тривалого періоду в 2 мілісекунди, завдяки винятково низькій чистій швидкості дефазування лише 0.09 Гц у механічному осциляторі», — каже Шінго Коно, які зробили внесок у дослідження. «Така ультранизька квантова декогеренція не тільки підвищує точність квантового контролю та вимірювання макроскопічних механічних систем, але також принесе користь від взаємодії з надпровідними кубітами та поміщає систему в параметричний режим, придатний для тестів квантової гравітації», — говорить Махді Чегнізаде, інший член дослідницької групи: «Значно більший час зберігання порівняно з надпровідними кубітами робить платформу ідеальним кандидатом для додатків квантового зберігання».

Часова мітка:

Більше від Нановерк