Mod en nanomekanisk kvanteomstilling

Fysikere ved Universität Regensburg har koblet vibrationerne fra et makromolekyle - et kulstof nanorør - til et mikrobølgehulrum, skabe et nyt og meget miniaturiseret optomekanisk system. Holdet af Dr. Andreas K. Hüttel opnåede dette ved at bruge kvantiseringen af ​​den elektriske ladning, dvs. at det bæres af enkelte elektroner, som en stærk forstærkermekanisme. Deres resultater blev offentliggjort den 2. april i Naturkommunikation . De præsenterer et vigtigt skridt i retning af at kombinere helt forskellige kvanteteknologier, som, f.eks., elektronspin-qubits og superledende qubits, i én enhed.

Normalt, at koble bevægelsen af ​​et makromolekyle såsom et kulstofnanorør til mikrobølger er svært. Hvorfor? Fordi elektromagnetiske bølgelængder, der bruges i kvanteberegninger eller hulrumskvanteelektrodynamiske enheder, arbejder ved GHz-frekvenser, er i millimeterområdet. En typisk nanorørenhed, nyttig både til at fange elektroner i kendte kvantetilstande og som en vibrationsresonator, er mindre end en mikrometer lang, med vibrationsamplituder under en nanometer. Som et resultat af denne uoverensstemmelse mellem størrelser, bevægelsen af ​​nanorøret ændrer bare ikke det elektromagnetiske felt i et mikrobølgehulrum meget. Koblingen forudsagt af standard optomekanisk teori er minimal.

Stadig, at opnå en sådan kobling og kontrollere den, uden at drive nanorøret til store vibrationsamplituder, er af mange grunde en attraktiv idé. Et nanorør er en fremragende strengresonator, lagre energi i lang tid; dens vibration kunne bruges til at oversætte kvanteinformation mellem fundamentalt forskellige frihedsgrader. Og både enkeltfangede elektroner og superledende mikrobølgekredsløb er varme kandidater til kvanteberegningsarkitekturer.

Regensburg-eksperimentet, udgivet som en artikel med åben adgang, har vist, at samspillet mellem de to systemer, vibrationer og elektromagnetiske felter, kan forstærkes med en faktor på 10, 000 sammenlignet med simple geometriske forudsigelser. Dette opnås ved at bruge såkaldt kvantekapacitans:strømmen føres af diskrete elektroner, hvilket betyder, at opladning af en meget lille kondensator, såsom et nanorør, sker ikke kontinuerligt, men snarere i trin. Ved at vælge et arbejdspunkt på den trinlignende kurve, den optomekaniske kobling er kontrollerbar, og kan tændes og slukkes hurtigt.

"Vi implementerer et såkaldt dispersivt koblet optomekanisk system - nyt og spændende på den ene side på grund af miniaturiseringen af ​​den mekaniske del og enkeltelektroneffekterne, men velkendt på den anden side, da der eksisterer en enorm mængde af teoretisk og eksperimentel forskning på større (op til makroskopiske skalaer) optomekaniske systemer, " siger Dr. Hüttel, i øjeblikket på et forskningsophold på Aalto Universitet, Finland. "Optomekanisk interaktion kan bruges til afkøling af vibrationen, for at opdage det på en meget følsom måde, til forstærkning af signaler, eller endda til vilkårlig forberedelse af kvantetilstande. Vores resultater indikerer, at kvantekontrol af den strenglignende nanorørsvibration vil være tilgængelig i den nærmeste fremtid. Og det gør det meget attraktivt som en slags kvantecentral, kombinerer meget forskellige kvantefænomener."