Концептуальное искусство рабочего устройства, состоящего из барабана с наностолбиками, окруженного двумя периодически сегментированными зеркалами, позволяющими лазерному свету сильно взаимодействовать с барабаном квантово-механически при комнатной температуре.
Фото: EPFL и Second Bay Studios.

В области квантовой механики способность наблюдать и контролировать квантовые явления при комнатной температуре долгое время была недостижимой, особенно в больших или «макроскопических» масштабах. Традиционно такие наблюдения ограничивались средами, близкими к абсолютному нулю, где квантовые эффекты легче обнаружить. Но необходимость экстремального холода стала серьезным препятствием, ограничивающим практическое применение квантовых технологий.

Теперь исследование, проведенное Тобиасом Дж. Киппенбергом и Нильсом Йоханом Энгельсеном из EPFL, переопределяет границы возможного. Новаторская работа объединяет квантовую физику и машиностроение для достижения контроля над квантовыми явлениями при комнатной температуре.

«Достижение режима квантовой оптомеханики при комнатной температуре было открытой задачей на протяжении десятилетий», — говорит Киппенберг. «Наша работа эффективно реализует микроскоп Гейзенберга, который долгое время считался всего лишь теоретической игрушечной моделью».

В своей экспериментальной установке, опубликованной в журнале Nature, исследователи создали сверхмалошумящую оптико-механическую систему — установку, в которой свет и механическое движение взаимосвязаны, что позволяет им с высокой точностью изучать и манипулировать тем, как свет влияет на движущиеся объекты.

Основная проблема комнатной температуры — тепловой шум, который нарушает тонкую квантовую динамику. Чтобы свести это к минимуму, ученые использовали полые зеркала, которые представляют собой специализированные зеркала, которые отражают свет взад и вперед внутри замкнутого пространства (полости), эффективно «улавливая» его и усиливая его взаимодействие с механическими элементами системы. Чтобы уменьшить тепловой шум, на зеркалах нанесены кристаллоподобные периодические («фононные кристаллы») структуры.

Кристаллообразная полость зеркально отражает барабан посередине.
Фото: Гуанхао Хуан/EPFL

Другим важным компонентом было 4-миллиметровое барабанное устройство, называемое механическим осциллятором, которое взаимодействует со светом внутри полости. Его относительно большой размер и конструкция являются ключом к его изоляции от шума окружающей среды, что позволяет обнаруживать тонкие квантовые явления при комнатной температуре.

«Барабан, который мы используем в этом эксперименте, является кульминацией многих лет усилий по созданию механических генераторов, хорошо изолированных от окружающей среды», — говорит Энгельсен.

«Методы, которые мы использовали для борьбы с печально известными и сложными источниками шума, имеют большое значение и оказывают большое влияние на более широкое сообщество прецизионных датчиков и измерений», — говорит Гуанхао Хуанг, один из двух докторов философии. Студенты, ведущие проект.

Установка позволила исследователям достичь «оптического сжатия» — квантового явления, при котором определенными свойствами света, такими как его интенсивность или фаза, манипулируют, чтобы уменьшить флуктуации одной переменной за счет увеличения флуктуаций другой, как это диктует принцип Гейзенберга.

Продемонстрировав оптическое сжатие в своей системе при комнатной температуре, исследователи показали, что они могут эффективно контролировать и наблюдать квантовые явления в макроскопической системе без необходимости использования чрезвычайно низких температур. Верхняя часть формы

Команда полагает, что возможность работать с системой при комнатной температуре расширит доступ к квантовым оптомеханическим системам, которые являются испытательными стендами для квантовых измерений и квантовой механики в макроскопических масштабах.

«Разработанная нами система может способствовать созданию новых гибридных квантовых систем, в которых механический барабан сильно взаимодействует с различными объектами, такими как захваченные облака атомов», — добавляет Альберто Беккари, другой доктор философии, студент, ведущий исследование. «Эти системы полезны для получения квантовой информации и помогают нам понять, как создавать большие и сложные квантовые состояния».