En teknik til at måle mekanisk bevægelse ud over kvantegrænsen

Forskere ved University of Colorado har for nylig udviklet en ny teknik til at måle mekanisk bevægelse ved hjælp af samtidige elektromekaniske forstærknings- og afkølingsprocesser. Deres metode, præsenteret i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , tillod dem at udføre en næsten lydløs måling af positionen af ​​en mekanisk oscillator, hvilket indtil videre har vist sig at være svært ved at bruge alternative teknikker til måling af bevægelse.

"Vores forskning opstod af to grunde, "Robert Delaney, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Først, vi bruger disse mekaniske systemer til effektivt at konvertere signaler mellem mikrobølgedomænet og det optiske domæne. Konverteringen af ​​signaler mellem disse to forskellige frekvensbånd er vigtig for netværksforbindelser af fremtidige kvantecomputere, eller at bygge det, der svarer til kvanteinternettet."

Mange forskningsgrupper verden over forsøger i øjeblikket at udvikle makroskopiske mekaniske oscillatorer i virkelig kvantebevægelsestilstande, til både praktiske anvendelser, såsom kraftføling, og test af kvantemekanik i større skalaer. I begge disse tilfælde, karakterisering og måling af de mekaniske oscillatorers bevægelse ved de grænser, som kvantemekanikken pålægger, vil være af afgørende betydning.

Ud over at muliggøre konvertering af signaler mellem mikrobølge- og optiske domæner, Delaney og hans kolleger ønskede at finde ud af en måde at måle denne bevægelse ud over kvantegrænsen. For at opnå dette, de ændrede en teknik kendt som back-action evading måling. Back-action evading måling er blevet set som en af ​​de mest lovende teknikker til enkelt kvadraturmåling af bevægelse i flere år, men det har indtil videre opnået utilfredsstillende resultater.

"Gennem interaktionen mellem den mekaniske oscillator og en mikrobølge (eller optisk) hulrum, back-action undvigende måling muliggør i princippet støjfri måling af positionen af ​​den mekaniske oscillator, "Robert Delaney, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I praksis, dette har været vanskeligt at implementere, fordi yderligere interaktioner mellem mikrobølgefeltet (eller det optiske) felt og den mekaniske oscillator fører til ustabilitet i mekanisk bevægelse, som forhindrer kontinuerlig måling."

For at overvinde problemerne forbundet med disse ustabiliteter i mekanisk bevægelse, forskerne ændrede den konventionelle ordning for unddragelse af tilbagehandling, for bevidst at inducere ustabilitet i en mekanisk oscillator. Dette tillod dem i sidste ende at indsamle en pulseret måling af oscillatorens bevægelse.

"Ved at anvende to mikrobølgefrekvenspumper til mikrobølgeresonatoren, som er afstemt af resonansfrekvensen af ​​den mekaniske oscillator, kan vi forbedre interaktionen mellem den mekaniske oscillator og mikrobølgefeltet, " Delaney forklarede. "Én mikrobølgetone er rød-afstemt, eller under resonansfrekvensen i mikrobølgehulrummet, mens den anden tone er blå-afstemt, eller over hulrummets resonansfrekvens."

Den røde afstemte pumpe, der bruges af Delaney og hans kolleger, afkøler den mekaniske oscillator via mikrobølgefeltet på en måde, der ligner, hvordan laserkølingsteknikker afkøler atomer. Den blå afstemte pumpe, på den anden side, forstærker den mekaniske oscillatorens bevægelse ved løbende at tilføje energi fra mikrobølgefeltet til oscillatoren.

Den blå afstemte pumpe er større end den røde. Når det kombineres på en måde, der forstærker på nettet, disse to adskilte processer forstyrrer og forstærker positionen eller momentumet (dvs. afhængigt af pumpernes fase) af den mekaniske oscillator, næsten uden støj. De to kvadraturkomponenter, som forskerne brugte til at beskrive bevægelse, er simpelthen dimensionsløse versioner af den mekaniske oscillators position og momentum.

"Den største fordel ved denne teknik er, at den næsten støjfrit kan måle en enkelt bevægelseskvadratur, og når man karakteriserer skrøbelige kvantetilstande af bevægelse, selv en lille mængde ekstra støj kan skjule interessetilstanden, " sagde Delaney. "For fuldt ud at karakterisere en kvantetilstand af bevægelse skal du udføre kvantetilstandstomografi, og den ideelle måling for disse tilstandsrekonstruktionsteknikker er en støjfri enkelt kvadraturmåling."

Mekaniske oscillatorer bruges i flere fysikunderfelter, for eksempel når der udføres forskning, der undersøger kvantemekanik i større skalaer, kvantebegrænset kraftføling og kvanteinformation. Teknikken udviklet af Delaney og hans kolleger kan således have vigtige konsekvenser for en række fysikstudier.

"I dette arbejde, vi demonstrerede en næsten lydløs måling af positionen af ​​en mekanisk oscillator, hvilket har været vanskeligt at opnå med tidligere anvendte teknikker som back-action evading måling eller ekstern parametrisk forstærkning, " Delaney sagde. "Vi har også demonstreret, at forbigående elektromekanisk forstærkning kan bruges til omhyggeligt at karakterisere en kvantepresset tilstand, en forudsætning for at bruge squeezing til at forbedre kraftfølelsen."

I fremtiden, metoden til at måle mekanisk bevægelse introduceret af dette team af forskere kunne åbne nye horisonter for fysikforskning og bane vejen for udvikling af nye værktøjer, herunder kraftfølende teknologi og teknikker til at forbinde kvantecomputere. Ud over, deres metode kunne være ideel til at karakterisere mekaniske oscillatorer forberedt i endnu mere eksotiske kvantetilstande, såsom superpositionstilstande eller kattetilstande, et længe søgt mål på fysikområdet.

"Vi er nu fokuseret på at bruge elektromekaniske/optomekaniske systemer til mikrobølge til optisk konvertering, " sagde Delaney. "Når de er integreret med andre kvantecomputerkomponenter som superledende qubits, vi kan bruge denne teknik til at måle bevægelsen af ​​den mekaniske oscillator i dette system for at verificere, at vi genererer kvantetilstande."

© 2019 Science X Network