Bước nhảy vọt lượng tử trong công nghệ bộ dao động cơ học

Bước nhảy vọt lượng tử trong công nghệ bộ dao động cơ học

Dấu thời gian: 11:2023 PM ngày 12 tháng 43 năm XNUMX
Nút nguồn: 2817575
11/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học đã đạt được tiến bộ vượt bậc trong việc tạo ra các hiện tượng lượng tử trong các hệ cơ học. Điều dường như không thể chỉ mười lăm năm trước đây đã trở thành hiện thực, khi các nhà nghiên cứu tạo thành công các trạng thái lượng tử trong các vật thể cơ học vĩ mô. Bằng cách ghép các bộ dao động cơ học này với các photon ánh sáng - được gọi là “hệ thống quang cơ học” -, các nhà khoa học đã có thể làm nguội chúng xuống mức năng lượng thấp nhất gần với giới hạn lượng tử, “ép chúng” để giảm dao động của chúng hơn nữa và làm chúng vướng víu. với nhau. Những tiến bộ này đã mở ra những cơ hội mới trong cảm biến lượng tử, lưu trữ nhỏ gọn trong điện toán lượng tử, các thử nghiệm cơ bản về lực hấp dẫn lượng tử và thậm chí trong việc tìm kiếm vật chất tối. Để vận hành hiệu quả các hệ thống cơ quang học trong chế độ lượng tử, các nhà khoa học phải đối mặt với một tình thế tiến thoái lưỡng nan. Một mặt, các bộ dao động cơ học phải được cách ly đúng cách với môi trường của chúng để giảm thiểu tổn thất năng lượng; mặt khác, chúng phải được ghép nối tốt với các hệ thống vật lý khác như bộ cộng hưởng điện từ để điều khiển chúng. Để đạt được sự cân bằng này đòi hỏi phải tối đa hóa tuổi thọ trạng thái lượng tử của bộ dao động bị ảnh hưởng bởi dao động nhiệt của môi trường và sự không ổn định tần số của bộ dao động – cái được gọi là “sự mất kết hợp” trong lĩnh vực này. Đây là một thách thức dai dẳng đối với nhiều hệ thống khác nhau, từ những tấm gương khổng lồ được sử dụng trong máy dò sóng hấp dẫn đến các hạt nhỏ bị mắc kẹt trong chân không cao. So với các công nghệ khác như qubit siêu dẫn hoặc bẫy ion, các hệ thống cơ điện và quang học ngày nay vẫn cho thấy tốc độ mất kết hợp cao hơn. Giờ đây, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm của Tobias J. Kippenberg tại EPFL đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển một nền tảng cơ quang mạch siêu dẫn cho thấy sự phân rã lượng tử cực thấp trong khi vẫn duy trì sự ghép cơ quang lớn dẫn đến điều khiển lượng tử có độ chính xác cao. Tác phẩm được xuất bản gần đây trên Vật lý tự nhiên (“Một bộ dao động cơ học bị nén với sự mất kết hợp lượng tử mili giây”). Hệ thống cơ điện siêu dẫn siêu kết hợp Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của một hệ thống cơ điện siêu dẫn siêu kết hợp. (Hình ảnh: Amir Youssefi, EPFL) “Nói một cách đơn giản, chúng tôi đã chứng minh thời gian tồn tại trạng thái lượng tử dài nhất từng đạt được trong một bộ dao động cơ học, có thể được sử dụng như một thành phần lưu trữ lượng tử trong các hệ thống liên lạc và điện toán lượng tử,” Amir Youssefi, tiến sĩ cho biết sinh viên chủ trì dự án. “Đây là một thành tựu lớn và tác động đến nhiều đối tượng trong lĩnh vực vật lý lượng tử, kỹ thuật điện và kỹ thuật cơ khí.” Yếu tố then chốt của bước đột phá này là “tụ điện mặt trống có khe hở chân không”, một bộ phận rung làm bằng một màng nhôm mỏng treo trên một rãnh trên đế silicon. Tụ điện đóng vai trò là thành phần rung của bộ tạo dao động và cũng tạo thành mạch vi sóng cộng hưởng. Thông qua một kỹ thuật chế tạo nano mới, nhóm nghiên cứu đã giảm đáng kể tổn thất cơ học trong bộ cộng hưởng mặt trống, đạt được tốc độ mất kết hợp nhiệt chưa từng có chỉ 20 Hz, tương đương với thời gian tồn tại trạng thái lượng tử là 7.7 mili giây – thời gian dài nhất từng đạt được trong bộ tạo dao động cơ học. Sự suy giảm đáng kể về sự mất kết hợp do nhiệt gây ra cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật làm mát quang học, dẫn đến độ trung thực ấn tượng 93% của sự chiếm giữ trạng thái lượng tử ở trạng thái cơ bản. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã đạt được độ nén cơ học bên dưới dao động điểm không của chuyển động, với giá trị -2.7 dB. Shingo Kono cho biết: “Mức độ kiểm soát này cho phép chúng tôi quan sát sự tiến hóa tự do của các trạng thái nén cơ học duy trì hành vi lượng tử của nó trong khoảng thời gian kéo dài 2 mili giây, nhờ tốc độ lệch pha thuần đặc biệt thấp chỉ 0.09 Hz trong bộ dao động cơ học,” Shingo Kono cho biết. người đã đóng góp cho nghiên cứu. Mahdi Chegnizadeh cho biết: “Sự mất kết hợp lượng tử cực thấp như vậy không chỉ làm tăng độ trung thực của việc kiểm soát lượng tử và phép đo của các hệ cơ học vĩ mô, mà còn mang lại lợi ích tương tự khi giao tiếp với các qubit siêu dẫn và đặt hệ thống vào một chế độ tham số phù hợp cho các thử nghiệm về lực hấp dẫn lượng tử,” Mahdi Chegnizadeh cho biết. một thành viên khác của nhóm nghiên cứu “Thời gian lưu trữ dài hơn đáng kể so với các qubit siêu dẫn khiến nền tảng này trở thành ứng cử viên hoàn hảo cho các ứng dụng lưu trữ lượng tử.”

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano