机械振荡器技术的巨大飞跃

11 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻）在过去的十年中，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进展。 随着研究人员成功地在宏观机械物体中创建量子态，十五年前看似不可能的事情现已成为现实。 通过将这些机械振荡器与光光子（称为“光机械系统”）耦合，科学家们能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级，“挤压它们”以进一步减少它们的振动，并使它们纠缠在一起与彼此。 这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至在寻找暗物质方面开辟了新的机遇。 为了在量子状态下有效地操作光机械系统，科学家们面临着两难的境地。 一方面，机械振荡器必须与其环境适当隔离，以最大限度地减少能量损失； 另一方面，它们必须与其他物理系统（例如电磁谐振器）良好耦合才能控制它们。 达到这种平衡需要最大化振荡器的量子态寿命，该寿命受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，这在该领域称为“退相干”。 从引力波探测器中使用的巨大镜子到高真空中捕获的微小粒子，这是各种系统中持续存在的挑战。 与超导量子位或离子阱等其他技术相比，当今的光电和机电系统仍然表现出更高的退相干率。 现在，洛桑联邦理工学院 Tobias J. Kippenberg 实验室的科学家们通过开发超导电路光机械平台解决了这个问题，该平台显示出超低量子退相干性，同时保持大的光机械耦合，从而实现高保真量子控制。 该作品近期发表于 自然物理学 (“具有毫秒量子退相干的压缩机械振荡器”). 超相干超导机电系统的扫描电子显微镜图像。 （图片：Amir Youssefi，EPFL）“简单来说，我们展示了机械振荡器有史以来实现的最长量子态寿命，该振荡器可以用作量子计算和通信系统中的量子存储组件，”博士 Amir Youssefi 说道领导该项目的学生。 “这是一项重大成就，对量子物理、电气工程和机械工程领域的广泛受众产生了影响。” 这一突破的关键要素是“真空间隙鼓面电容器”，这是一种由薄铝膜制成的振动元件，悬浮在硅基板的沟槽上。 电容器作为振荡器的振动元件，也构成谐振微波电路。 通过一种新颖的纳米加工技术，该团队显着降低了鼓面谐振器的机械损耗，实现了前所未有的仅 20 Hz 的热退相干率，相当于 7.7 毫秒的量子态寿命——这是机械振荡器有史以来实现的最长寿命。 热致退相干的显着降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使基态中的量子态占据保真度达到令人印象深刻的 93%。 此外，该团队还实现了低于运动零点波动的机械挤压，值为 -2.7 dB。 “这种控制水平使我们能够观察机械压缩态的自由演化，并在 2 毫秒的延长时间内保持其量子行为，这要归功于机械振荡器中仅 0.09 Hz 的极低纯相移率，”Shingo Kono 说道，谁对这项研究做出了贡献。 Mahdi Chegnizadeh 表示：“这种超低量子退相干性不仅提高了宏观机械系统的量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子位的接口，并将系统置于适合量子引力测试的参数范围内。”研究团队的另一名成员“与超导量子位相比，存储时间要长得多，使得该平台成为量子存储应用的完美候选者。”

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63493.php