Et kvantespring ved stuetemperatur:Ultralavt støjsystem opnår optisk klemning
I kvantemekanikkens område har evnen til at observere og kontrollere kvantefænomener ved stuetemperatur længe været uhåndgribelig, især i stor eller "makroskopisk" skala. Traditionelt har sådanne observationer været begrænset til miljøer nær det absolutte nulpunkt, hvor kvanteeffekter er lettere at opdage. Men kravet om ekstrem kulde har været en stor hindring, der begrænser praktiske anvendelser af kvanteteknologier.
Nu omdefinerer en undersøgelse ledet af Tobias J. Kippenberg og Nils Johan Engelsen ved EPFL grænserne for, hvad der er muligt. Det banebrydende arbejde blander kvantefysik og maskinteknik for at opnå kontrol over kvantefænomener ved stuetemperatur.
"At nå regimet med stuetemperatur kvanteoptomekanik har været en åben udfordring siden årtier," siger Kippenberg. "Vores arbejde realiserer effektivt Heisenberg-mikroskopet - længe antaget kun at være en teoretisk legetøjsmodel."
I deres eksperimentelle opsætning, udgivet i Nature , skabte forskerne et optomekanisk system med ultralav støj – en opsætning, hvor lys og mekanisk bevægelse forbindes, hvilket giver dem mulighed for at studere og manipulere, hvordan lys påvirker bevægelige objekter med høj præcision.
Det største problem med stuetemperatur er termisk støj, som forstyrrer sart kvantedynamik. For at minimere det brugte forskerne hulrumsspejle, som er specialiserede spejle, der hopper lys frem og tilbage inde i et begrænset rum (hulrummet), og effektivt "fanger" det og forbedrer dets interaktion med de mekaniske elementer i systemet. For at reducere den termiske støj er spejlene mønstret med krystallignende periodiske ("fononiske krystal") strukturer.
En anden afgørende komponent var en 4 mm tromle-lignende enhed kaldet en mekanisk oscillator, som interagerer med lys inde i hulrummet. Dens relativt store størrelse og design er nøglen til at isolere den fra omgivende støj, hvilket gør det muligt at detektere subtile kvantefænomener ved stuetemperatur.
"Tromlen, vi bruger i dette eksperiment, er kulminationen på mange års indsats for at skabe mekaniske oscillatorer, der er godt isoleret fra miljøet," siger Engelsen.
"De teknikker, vi brugte til at håndtere berygtede og komplekse støjkilder, er af høj relevans og indvirkning på det bredere fællesskab af præcisionsføling og måling," siger Guanhao Huang, en af de to Ph.D. studerende, der leder projektet.
Opsætningen gjorde det muligt for forskerne at opnå "optisk klemning", et kvantefænomen, hvor visse egenskaber ved lys, som dets intensitet eller fase, manipuleres for at reducere fluktuationerne i en variabel på bekostning af stigende fluktuationer i den anden, som dikteret af Heisenbergs princip.
Ved at demonstrere optisk klemning ved stuetemperatur i deres system viste forskerne, at de effektivt kunne kontrollere og observere kvantefænomener i et makroskopisk system uden behov for ekstremt lave temperaturer. Top of Form
Holdet mener, at evnen til at betjene systemet ved stuetemperatur vil udvide adgangen til kvanteoptomekaniske systemer, som er etablerede testbeds for kvantemåling og kvantemekanik i makroskopiske skalaer.
"Det system, vi udviklede, kan muliggøre nye hybride kvantesystemer, hvor den mekaniske tromle interagerer stærkt med forskellige objekter, såsom fangede skyer af atomer," tilføjer Alberto Beccari, den anden Ph.D. studerende, der leder studiet. "Disse systemer er nyttige til kvanteinformation og hjælper os med at forstå, hvordan man skaber store, komplekse kvantetilstande."
Flere oplysninger: Nils Engelsen, Kvanteoptomekanik ved rumtemperatur ved hjælp af et hulrum med ultralav støj, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3
Journaloplysninger: Natur
Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Varme artikler
-
Kvantpartikler danner dråberKvantedråber kan bevare deres form i mangel af ydre indespærring på grund af kvanteeffekter. Kredit:IQOQI/Harald Ritsch I forsøg med magnetiske atomer udført ved ekstremt lave temperaturer, forske -
Spintronics:Ny produktionsmetode gør krystallinske mikrostrukturer universelt anvendeligePink:YIG-bro, grøn:lim, grå:safir Kredit:AIP Applied Physics Letters Ny lagrings- og informationsteknologi kræver nye materialer med højere ydeevne. Et af disse materialer er yttriumjern granat, s -
Et nyt hjem for optiske solitonerKredit:Max Planck Institute of Quantum Optics Laserfysikere baseret på Laboratory for Attosecond Physics drevet af Max Planck Institute of Quantum Optics og Ludwig-Maximilian University har, for f -
Computerteoretikere viser vejen til at verificere, at kvante slår klassiskNærbillede af en Intel computing wafer. Kredit:Steve Jurvetson Mens flere forskergrupper rundt om i verden kapløb om at bygge en skalerbar kvantecomputer, Der er stadig spørgsmål om, hvordan opnåe
- Hvordan klassificeres polynomier af Degree
- Sådan bruges en Meade Telescope
- Earth Observing – 1 satellit er pensioneret, efterlader en arv af spektakulære billeder
- Forskere udvikler højhastighed, laveffekt silicium-germanium-chips til cloud computing
- Udfordringen med at fange kulstof
- Sporing af den største solstorm i moderne tid fra træringe i Lapland