Квантовый скачок в технологии механических осцилляторов
Разработана оптомеханическая платформа со сверхпроводящей схемой, которая демонстрирует сверхнизкую квантовую декогерентность при сохранении большой оптомеханической связи, что приводит к высокоточному квантовому управлению. Работа недавно опубликована в журнале Nature Physics. Продемонстрировано самое длительное время жизни квантового состояния, когда-либо достигнутое в механическом осцилляторе.
Изображение сверхкогерентной сверхпроводящей электромеханической системы, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Фото: Амир Юссефи (EPFL)
За последнее десятилетие ученые добились огромного прогресса в создании квантовых явлений в механических системах. То, что еще пятнадцать лет назад казалось невозможным, теперь стало реальностью, поскольку исследователи успешно создают квантовые состояния в макроскопических механических объектах.
Соединив эти механические осцилляторы со световыми фотонами — известные как «оптомеханические системы» — ученые смогли охладить их до самого низкого энергетического уровня, близкого к квантовому пределу, «сжать их», чтобы еще больше уменьшить их вибрации, и запутать их с помощью друг друга. Эти достижения открыли новые возможности в квантовом восприятии, компактном хранении в квантовых вычислениях, фундаментальных тестах квантовой гравитации и даже в поиске темной материи.
Чтобы эффективно управлять оптомеханическими системами в квантовом режиме, ученые сталкиваются с дилеммой. С одной стороны, механические генераторы должны быть должным образом изолированы от окружающей среды, чтобы свести к минимуму потери энергии; с другой стороны, они должны быть хорошо связаны с другими физическими системами, такими как электромагнитные резонаторы, чтобы управлять ими.
Для достижения этого баланса требуется максимизировать время жизни квантового состояния осцилляторов, на которое влияют тепловые флуктуации окружающей их среды и нестабильность частоты осцилляторов, что в этой области известно как «декогеренция». Это постоянная проблема для различных систем, от гигантских зеркал, используемых в детекторах гравитационных волн, до крошечных захваченных частиц в высоком вакууме. По сравнению с другими технологиями, такими как сверхпроводящие кубиты или ионные ловушки, сегодняшние опто- и электромеханические системы по-прежнему демонстрируют более высокие скорости декогеренции.
Теперь ученые из лаборатории Тобиаса Дж. Киппенберга в EPFL решили эту проблему, разработав оптомеханическую платформу со сверхпроводящей схемой, которая демонстрирует сверхнизкую квантовую декогерентность при сохранении большой оптомеханической связи, что приводит к высокоточному квантовому управлению. Работа недавно опубликована в журнале Nature Physics.
«Проще говоря, мы продемонстрировали самое длительное время жизни квантового состояния, когда-либо достигнутое в механическом осцилляторе, который можно использовать в качестве компонента квантового хранилища в системах квантовых вычислений и связи», — говорит Амир Юссефи, доктор философии. Студентка, руководившая проектом. «Это большое достижение, которое затрагивает широкий круг читателей в области квантовой физики, электротехники и машиностроения».
Ключевым элементом прорыва является «конденсатор барабана с вакуумным зазором», вибрирующий элемент из тонкой алюминиевой пленки, подвешенный над канавкой в кремниевой подложке. Конденсатор служит вибрирующим компонентом генератора, а также образует резонансный СВЧ-контур.
С помощью новой технологии нанотехнологии команда значительно уменьшила механические потери в резонаторе барабана, достигнув беспрецедентной скорости тепловой декогеренции всего 20 Гц, что эквивалентно времени жизни квантового состояния 7,7 миллисекунды — самому долгому из когда-либо достигнутых в механическом осцилляторе.
Заметное снижение термически индуцированной декогеренции позволило исследователям использовать технику оптомеханического охлаждения, что привело к впечатляющей 93-процентной точности занятия квантового состояния в основном состоянии. Кроме того, команда добилась механического сжатия ниже нулевой точки колебания движения со значением -2,7 дБ.
«Этот уровень контроля позволяет нам наблюдать свободную эволюцию механических сжатых состояний, сохраняя свое квантовое поведение в течение длительного периода в 2 миллисекунды, благодаря исключительно низкой скорости чистой дефазировки всего 0,09 Гц в механическом осцилляторе», — говорит Шинго Коно, кто внес свой вклад в исследование.
«Такая сверхнизкая квантовая декогерентность не только повышает точность квантового управления и измерения макроскопических механических систем , но также приносит пользу взаимодействию со сверхпроводящими кубитами и переводит систему в режим параметров, подходящий для испытаний квантовой гравитации», — говорит Махди Чегнизаде, другой член исследовательской группы: «Значительно более длительное время хранения по сравнению со сверхпроводящими кубитами делает платформу идеальным кандидатом для приложений квантового хранения».
