Kvantemagasin til mikrobølger

I et nylig forsøg på EPFL, en mikrobølge resonator, et kredsløb, der understøtter elektriske signaler, der oscillerer ved en resonansfrekvens, er koblet til vibrationerne i en metallisk mikrotromle. Ved aktivt at afkøle den mekaniske bevægelse tæt på den laveste energi tilladt af kvantemekanik, mikrotromlen kan gøres til et kvantereservoir - et miljø, der kan forme mikrobølgernes tilstand. Resultaterne offentliggøres som en avanceret publikation i Naturfysik .

László Dániel Tóth, Nathan Bernier, og Dr. Alexey Feofanov ledede forskningsindsatsen i Tobias Kippenbergs laboratorium for fotonik og kvantemålinger ved EPFL, med støtte fra Dr. Andreas Nunnenkamp, en teoretiker ved University of Cambridge, Storbritannien.

Mikrobølger er elektromagnetiske bølger, ligesom synligt lys, men med en frekvens, der er fire størrelsesordener mindre. Mikrobølger udgør rygraden i flere dagligdags teknologier, fra mikrobølgeovne og mobiltelefoner til satellitkommunikation, og har for nylig fået yderligere betydning ved manipulation af kvanteinformation i superledende kredsløb - en af ​​de mest lovende kandidater til at realisere fremtidige kvantecomputere.

Mikrotromlen, kun 30 mikrometer i diameter, 100 nanometer tyk og fremstillet i Center for MicroNanotechnology (CMi) på EPFL, udgør den øverste plade af en kondensator i en superledende mikrobølgeresonator. Tromlens position modulerer resonatorens resonansfrekvens og omvendt, en spænding over kondensatoren udøver en kraft på mikrotromlen. Gennem denne tovejs interaktion, energi kan udveksles mellem mekaniske vibrationer og mikrobølgesvingningerne i det superledende kredsløb.

I forsøget, mikrotromlen afkøles først tæt på det laveste energikvantniveau med en passende tunet mikrobølge tone. Hver mikrobølgefoton (en mængde lys) fører energien fra en fonon (en kvant af mekanisk bevægelse) væk, så den mekaniske energi reduceres. Denne afkølingsproces øger spredningen og gør mikrotromlen til et dissipativt reservoir til mikrobølgeresonatoren.

Ved at indstille interaktionerne mellem hulrummet og den afkølede mikrotromle, som nu er et miljø for mikrobølgerne, hulrummet kan omdannes til en mikrobølge -forstærker. Det mest interessante aspekt af denne forstærkningsproces er den tilføjede støj, det er, hvor meget tilfældigt, uønskede udsving tilføjes til det forstærkede signal.

Om end kontra-intuitiv, kvantemekanik dikterer, at denne ekstra støj ikke kan undertrykkes fuldstændigt, selv i princippet. Forstærkeren, der blev realiseret i EPFL -eksperimentet, fungerer meget tæt på denne grænse, derfor er den så "stille" som den kan være. Interessant nok, i et andet regime, mikrotromlen forvandler mikrobølgeresonatoren til en maser (eller mikrobølgelaser).

"Der har været meget forskningsfokus på at bringe mekaniske oscillatorer ind i kvanteregimet i de sidste par år." siger Dr. Alexey Feofanov, postdoc forsker på projektet. "Imidlertid, vores eksperiment er et af de første, der faktisk viser og udnytter deres evner til fremtidige kvanteteknologier. "

Ser frem til, dette eksperiment muliggør nye fænomener i optomekaniske systemer i hulrum som lydløs mikrobølge -routing eller mikrobølge -sammenfiltring. Generelt, det beviser, at mekaniske oscillatorer kan være en nyttig ressource inden for det hurtigt voksende område inden for kvantevidenskab og teknik.

Fremtidige aktiviteter om de nye forskningsmuligheder, som dette arbejde skaber, vil blive understøttet af to nyligt startede EC Horizon 2020 -projekter:Hybrid Optomechanical Technologies (HOT) og Optomechanical Technologies (OMT), begge koordineret ved EPFL.