Ein Quantensprung in der mechanischen Oszillatortechnologie

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines supraleitenden suprakohärenten elektromechanischen Systems. Bildnachweis: Amir Al-Yousifi (EPFL)

Wissenschaftler der EPFL haben eine supraleitende optomechanische Plattform entwickelt, die eine extrem niedrige Quantendekohärenz und eine hochpräzise Quantenkontrolle demonstriert. Ihre bahnbrechende Arbeit mit einem „Vakuumzylinderkopfkondensator“ hat zur längsten Quantenzustandslebensdauer in einem mechanischen Oszillator geführt, die jemals erreicht wurde, und ebnete damit den Weg für neue Anwendungen in Quantitative Statistik und Sensor.

Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler enorme Fortschritte bei der Erzeugung von Quantenphänomenen in mechanischen Systemen gemacht. Was vor fünfzehn Jahren noch unmöglich schien, ist nun Realität, da es Forschern gelungen ist, Quantenzustände in makroskopischen mechanischen Objekten zu erzeugen.

Durch die Kopplung dieser mechanischen Oszillatoren mit optischen Photonen – sogenannte „optomechanische Systeme“ – konnten Wissenschaftler sie auf das niedrigste Energieniveau nahe der Quantengrenze herunterkühlen. Sie konnten sie auch „zusammendrücken“, um ihre Vibrationen weiter zu reduzieren und sie miteinander in Kontakt zu bringen. Diese Fortschritte haben neue Möglichkeiten in der Quantensensorik, der kompakten Speicherung im Quantencomputing, grundlegenden Tests der Quantengravitation und sogar der Suche nach dunkler Materie eröffnet.

Das Dilemma beim Betrieb optomechanischer Systeme

Um optomechanische Systeme im Quantenregime effizient zu betreiben, stehen Wissenschaftler vor einem Dilemma. Einerseits müssen mechanische Oszillatoren ordnungsgemäß von ihrer Umgebung isoliert werden, um Energieverluste zu minimieren. Andererseits muss es gut mit anderen physikalischen Systemen wie elektromagnetischen Resonatoren gekoppelt sein, um es steuern zu können.

Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, muss die Quantenzustandslebensdauer der Oszillatoren maximiert werden, die durch thermische Schwankungen in ihrer Umgebung und die Frequenzinstabilitäten der Oszillatoren beeinflusst werden – in der Fachwelt als „Dekohärenz“ bekannt. Dies ist eine ständige Herausforderung für verschiedene Systeme, von den riesigen Spiegeln, die in Gravitationswellendetektoren verwendet werden, bis hin zu den winzigen Partikeln, die im Hochvakuum gefangen sind. Im Vergleich zu anderen Technologien wie supraleitenden Qubits oder Ionenfallen weisen heutige optische und elektromechanische Systeme immer noch höhere Dekohärenzraten auf.

Ein Durchbruch in der EPFL: Ultra-Low Quantum Decoherence

Jetzt haben Wissenschaftler im Labor von Tobias J. Kippenberg an der EPFL das Problem angegangen, indem sie eine supraleitende optomechanische Plattform entwickelt haben, die eine extrem niedrige Quantendekohärenz aufweist und gleichzeitig eine signifikante optomechanische Kopplung aufrechterhält, die zu einer hochpräzisen Quantenkontrolle führt. Die Arbeit wurde am 10. August in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

„Mit einfachen Worten: Wir haben die längste Quantenzustandslebensdauer demonstriert, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde, der als Quantenspeicherkomponente in Quantencomputer- und Kommunikationssystemen verwendet werden kann“, sagt Amir Al-Yousefi, ein Doktorand, der das Projekt leitete . „Dies ist eine bedeutende Leistung und betrifft ein breites Publikum in den Bereichen Quantenphysik, Elektrotechnik und Maschinenbau.“

Hauptkomponente: Vakuumspalt-Trommelkopfkondensator

Die Schlüsselkomponente des Durchbruchs ist der „Vakuumzylinderkopfkondensator“, ein vibrierendes Element aus einer dünnen Aluminiumschicht, die über einem Graben in einem Siliziumsubstrat hängt. Der Kondensator fungiert als schwingendes Element im Oszillator und bildet außerdem einen resonanten Mikrowellenkreis.

Durch eine neue Nanofabrikationstechnik hat das Team die mechanischen Verluste im Trommelfellresonator drastisch reduziert und eine beispiellose thermische Dekohärenzrate von nur 20 Hz erreicht, was einer Quantenzustandslebensdauer von 7,7 Millisekunden entspricht – der längsten, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde. .

Ergebnisse und Wirkungen

Der bemerkenswerte Rückgang der thermisch induzierten Dekohärenz ermöglichte es den Forschern, eine optomechanische Löschtechnik zu verwenden, was zu einer erstaunlichen Genauigkeit von 93 % bei der Besetzung des Quantenzustands im Grundzustand führte. Darüber hinaus erreichte das Team eine mechanische Belastung unterhalb der Nullpunktschwingung der Bewegung mit einem Wert von -2,7 dB.

„Dieses Maß an Kontrolle ermöglicht es uns, die freie Entwicklung mechanischer Spannungszustände zu beobachten, die ihr Quantenverhalten über einen längeren Zeitraum von 2 Millisekunden beibehalten, dank der extrem niedrigen reinen Phasenentfernungsrate von nur 0,09 Hz in einem mechanischen Oszillator“, sagt Shingo Kono, der zum Artikel beigetragen hat. Suche.

„Eine extrem niedrige Quantendekohärenz erhöht nicht nur die Genauigkeit der Quantenkontrolle und Messung makroskopischer mechanischer Systeme, sondern wird auch die Wechselwirkungen mit supraleitenden Qubits verbessern und das System in einen variablen Bereich versetzen, der für Quantengravitationstests geeignet ist“, sagt Mehdi Shanizadeh, ein anderer Mitglied des Forschungsteams. Die viel längere Speicherzeit im Vergleich zu supraleitenden Qubits macht die Plattform zu einem idealen Kandidaten für Quantenspeicheranwendungen.“

Referenz: „Ein kompakter mechanischer Oszillator mit Millisekunden-Quantendekohärenz“ von Amir Yousefi, Shingo Kono, Mehdi Shanizadeh und Tobias G. Kippenberg, 10. August 2023, hier verfügbar. Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02135-y

Das Gerät wurde im Center for MicroNanoTechnology (CMi) der EPFL hergestellt.