Kvantový skok v technologii mechanických oscilátorů

Vědci z EPFL vyvinuli obvodovou supravodivou optomechanickou platformu, která demonstruje ultra nízkou kvantovou dekoherenci a vysoce přesné kvantové řízení. Jejich průkopnická práce využívající „vakuový kondenzátor hlavy válců“ vyústila v nejdelší životnost v kvantovém stavu mechanického oscilátoru, jaká kdy byla dosažena, a připravila cestu pro nové aplikace v Kvantitativní statistika a senzor.

Během posledního desetiletí vědci udělali obrovský pokrok ve vytváření kvantových jevů v mechanických systémech. To, co se před pouhými patnácti lety zdálo nemožné, je nyní realitou, protože vědcům se podařilo vytvořit kvantové stavy v makroskopických mechanických objektech.

Spojením těchto mechanických oscilátorů s optickými fotony – známými jako „optomechanické systémy“ – je vědci dokázali ochladit na nejnižší energetickou úroveň blízko kvantového limitu. Dokázali je také „zmáčknout“, aby dále snížili jejich vibrace a zapojili je do sebe. Tyto pokroky otevřely nové příležitosti v oblasti kvantového snímání, kompaktního úložiště v kvantovém počítání, základních testů kvantové gravitace a dokonce i hledání temné hmoty.

Dilema provozu optomechanických systémů

Aby bylo možné efektivně provozovat optomechanické systémy v kvantovém režimu, čelí vědci dilematu. Na jedné straně musí být mechanické oscilátory řádně izolovány od svého okolí, aby se minimalizovaly energetické ztráty; Na druhou stranu musí být dobře propojen s jinými fyzikálními systémy, jako jsou elektromagnetické rezonátory, aby jej bylo možné ovládat.

Dosažení této rovnováhy vyžaduje maximalizaci životnosti kvantového stavu oscilátorů, které jsou ovlivněny tepelnými fluktuacemi v jejich prostředí a frekvenční nestabilitou oscilátorů – což je v oboru známé jako „dekoherence“. To je pokračující výzva napříč různými systémy, od obřích zrcadel používaných v detektorech gravitačních vln až po drobné částice zachycené ve vysokém vakuu. Ve srovnání s jinými technologiemi, jako jsou supravodivé qubity nebo iontové pasti, dnešní optické a elektromechanické systémy stále vykazují vyšší míru dekoherence.

Průlom v EPFL: Ultra-nízká kvantová dekoherence

Nyní se vědci v laboratoři Tobiase J. Kippenberga v EPFL vypořádali s problémem vyvinutím supravodivé optomechanické platformy, která vykazuje extrémně nízkou kvantovou dekoherenci při zachování významné optomechanické vazby, která vede k vysoce přesné kvantové kontrole. Práce byla publikována v časopise 10. srpna přírodní fyzika.

„Jednoduše řečeno, prokázali jsme nejdelší životnost kvantového stavu, jaká kdy byla dosažena v mechanickém oscilátoru, který lze použít jako součást kvantového úložiště v kvantových výpočetních a komunikačních systémech,“ říká Amir Al-Yousefi, doktorand, který projekt vedl. . „Je to významný úspěch a ovlivňuje širokou škálu publika v kvantové fyzice, elektrotechnice a strojírenství.“

Primární součást: vakuový kondenzátor hlavy bubnu

Klíčovou součástí průlomu je „Vakuový kondenzátor hlavy válce“, vibrační prvek vyrobený z tenké vrstvy hliníku zavěšený nad výkopem v křemíkovém substrátu. Kondenzátor působí jako vibrační prvek v oscilátoru a zároveň tvoří rezonanční mikrovlnný obvod.

Prostřednictvím nové techniky nanofabrikace tým dramaticky snížil mechanické ztráty v rezonátoru bubnové hlavy a dosáhl bezprecedentní rychlosti tepelné dekoherence pouhých 20 Hz, což odpovídá životnosti v kvantovém stavu 7,7 milisekundy – nejdelší době, jaké kdy bylo dosaženo v mechanickém oscilátoru. .

Výsledky a efekty

Pozoruhodný pokles tepelně indukované dekoherence umožnil výzkumníkům použít techniku ​​optomechanického zhášení, což má za následek ohromující 93% přesnost obsazení kvantového stavu v základním stavu. Kromě toho tým dosáhl mechanického napětí pod oscilací nulového bodu pohybu s hodnotou -2,7 dB.

„Tato úroveň kontroly nám umožňuje pozorovat volný vývoj stavů mechanického namáhání, které si udržují své kvantové chování po delší dobu 2 milisekund, a to díky extrémně nízké rychlosti odstraňování čisté fáze pouze 0,09 Hz v mechanickém oscilátoru,“ říká Shingo. Kono, který přispěl k hledání papíru.

„Ultranízká kvantová dekoherence nejen zvyšuje přesnost kvantového řízení a měření makroskopických mechanických systémů, ale bude také přínosem pro interakce se supravodivými qubity a umístí systém do variabilního režimu vhodného pro testy kvantové gravitace,“ říká Mehdi Shanizadeh, další člen výzkumného týmu. Mnohem delší doba skladování ve srovnání se supravodivými qubity dělá z této platformy ideálního kandidáta pro aplikace kvantového úložiště.“

Reference: „Kompaktní mechanický oscilátor s milisekundovou kvantovou dekoherencí“ od Amir Yousefi, Shingo Kono, Mehdi Shanizadeh a Tobias G. Kippenberg, 10. srpna 2023, k dispozici zde. přírodní fyzika.
DOI: 10.1038/s41567-023-02135-y

Zařízení bylo vyrobeno v Center for MicroNanoTechnology (CMi) v EPFL.