Een sprong voorwaarts in mechanische oscillatortechnologie

Optische en mechanische systemen hebben in de eenentwintigste eeuw lange tijd centraal gestaan ​​in wetenschappelijke discussies. In het afgelopen decennium heeft de succesvolle convergentie van kwantumfenomenen met mechanische systemen een keerpunt in het veld betekend.

Wetenschappers zijn erin geslaagd mechanische oscillatoren te koppelen aan fotonen van licht, waardoor ” Opto-mechanische systemen Deze combinaties maakten het mogelijk om de oscillatoren af ​​te koelen tot een energieniveau dat dicht bij de kwantumlimiet ligt druk om de trillingen en zelfs klitten verder te verminderen.

Dergelijke prestaties openen deuren op uiteenlopende gebieden als kwantumdetectie, compacte opslag voor kwantumcomputing en zelfs onderzoek naar donkere materie.

Delicate Weegschaal: isolatie en vervoeging

De uitdaging ligt in het optimaliseren van de prestaties van fotomechanische systemen op kwantumniveau. Mechanische oscillatoren moeten volledig geïsoleerd zijn om energieverlies te voorkomen, terwijl ze goed gekoppeld moeten zijn aan andere systemen zoals elektromagnetische resonatoren voor een efficiënte regeling.

Het is noodzakelijk om de levensduur te verlengen van de kwantumtoestanden van oscillatoren die gevoelig zijn voor thermische fluctuaties in hun omgeving en instabiliteiten in hun frequentie – een fenomeen dat bekend staat als ” decoherentie “.

EPFL’s oplossing: verminder decoherentie

EPFL-onderzoekers, geleid door Tobias J. Kippenberg, hebben een optomechanisch platform ontwikkeld op een supergeleidend circuit dat een zeer lage kwantumdecoherentie vertoont, met behoud van een significante optomechanische koppeling.

Simpel gezegd, we hebben de langste levensduur van de kwantumtoestand ooit bereikt in een mechanische oscillator, die kan dienen als een kwantumopslagelement in kwantumcommunicatie- en computersystemen. Commentaar Amir Al-Yousifi, een promovendus aan het roer van het project.

Technische innovatie

Het belangrijkste ingrediënt van deze prestatie is ” Filmcondensator met lege ruimte , bestaande uit een dunne laag aluminium die over een sleuf is gehangen in een laag siliconen. Door innovatieve nanofabricagetechnologie te gebruiken, heeft het team mechanische verliezen drastisch verminderd, waardoor een ongekende snelheid van thermische decoherentie is ontstaan.

“Dit niveau van controle stelt ons in staat om de vrije evolutie van gecomprimeerde mechanische toestanden te observeren die hun kwantumgedrag gedurende een lange periode behouden,” Shingo Kono, een onderzoeksmedewerker, bevestigt.

kunstmatig

De ontdekking van de EPFL markeert een belangrijke mijlpaal in de wereld van de kwantumfysica. Mechanische oscillatoren met lage decoherentie openen een scala aan mogelijkheden, van kwantumcomputing tot het testen van kwantumzwaartekracht.

Voor een beter begrip

Wat is het opto-mechanische systeem?

Het is een systeem waarin mechanische oscillaties zijn gekoppeld aan fotonen van licht. Deze combinatie maakt het mogelijk kwantumtoestanden met behulp van licht te manipuleren en te beheersen.

Waarom is decoherentie een uitdaging in de optische mechanica?

Decoherentie is een fenomeen waarbij een kwantumsysteem zijn kwantumkarakter verliest, waardoor het minder stabiel wordt. In de optica beïnvloedt dit de levensduur van kwantumtoestanden, waardoor ze kwetsbaar worden voor externe verstoringen, zoals thermische fluctuaties.

Hoe heeft EPFL decoherentie kunnen verminderen?

EPFL-onderzoekers gebruikten innovatieve nanofabricagetechnologie en een specifiek type membraancondensator. Deze combinatie verminderde de mechanische verliezen aanzienlijk, wat resulteerde in een afname van de thermische decoherentie.

Wat is een membraancondensor met een vacuümvacuüm?

Het is een onderdeel dat is gemaakt van een dunne laag aluminium die is opgehangen boven een sleuf in een siliciumsubstraat. Het fungeert als het trillingselement van de oscillator en vormt een resonantiekring in de magnetron.

Wat zijn de voordelen van het verminderen van decoherentie in optische mechanica?

Het verminderen van decoherentie verhoogt de precisie van de kwantumcontrole, waardoor macroscopische mechanische systemen beter kunnen worden gemeten. Bovendien verbetert het de kwaliteit van kwantumzwaartekrachttests en het kwantumopslagpotentieel.

Welke invloed heeft deze ontdekking op kwantumcomputing?

Met verlengde levensduur van kwantumtoestanden en verminderde decoherentie kunnen deze systemen dienen als betrouwbare kwantumopslagcomponenten. Ze kunnen kwantuminformatie voor langere tijd opslaan, wat essentieel is voor de ontwikkeling van kwantumcomputing.

Wat is de volgende stap voor dit onderzoek?

Hoewel de studie al aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, zal het uiteindelijke doel zijn om deze systemen te integreren in grotere kwantumarchitecturen, hun efficiëntie verder te verbeteren en praktische toepassingen te vinden op gebieden zoals kwantumcommunicatie.

Hoe verhoudt deze technologie zich tot andere, zoals supergeleidende qubits?

Optomechanische systemen kunnen vanwege hun lage coherentie en lange levensduur opslagvoordelen bieden ten opzichte van supergeleidende qubits. Elke technologie heeft echter zijn voordelen en uitdagingen, en het onderzoek op beide gebieden gaat door.

Scanning-elektronenmicroscopiebeeld van een supergeleidend supercoherent elektromechanisch systeem. Krediet: Amir Al-Yousifi (EPFL)

[ Rédaction ]