Wetenschappers van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een doorbraak bereikt door zes mechanische oscillatoren te synchroniseren in een collectieve kwantumtoestand, waardoor de observatie van unieke verschijnselen zoals kwantumzijbandasymmetrie mogelijk wordt. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor innovatie op het gebied van kwantumcomputing en -detectie.
Kwantumtechnologie zorgt voor een revolutie in ons begrip van het universum, en een veelbelovend gebied betreft macroscopische mechanische oscillatoren. Deze apparaten zijn al een integraal onderdeel van kwartshorloges, mobiele telefoons en telecomlasers en zouden een transformerende rol kunnen spelen in het kwantumrijk. Op kwantumschaal hebben macroscopische oscillatoren het potentieel om ultragevoelige sensoren en geavanceerde componenten van kwantumcomputers mogelijk te maken, waardoor baanbrekende innovaties naar meerdere industrieën kunnen worden gebracht.
Het bereiken van controle over mechanische oscillatoren op kwantumniveau is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van deze toekomstige technologieën. Het collectief beheren ervan brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee, omdat hiervoor vrijwel identieke eenheden en ultrahoge precisie nodig zijn.
Het meeste onderzoek in de kwantumoptica concentreert zich op afzonderlijke oscillatoren en demonstreert kwantumfenomenen zoals afkoeling van de grondtoestand en kwantumknijpen. Maar dit is niet het geval bij collectief kwantumgedrag, waarbij veel oscillatoren als één enkele eenheid werken. Hoewel deze collectieve dynamiek de sleutel is tot het creëren van sterkere kwantumsystemen, vereisen ze uitzonderlijk nauwkeurige controle van meerdere oscillatoren met vrijwel identieke eigenschappen.
Wetenschappers onder leiding van Tobias Kippenberg van EPFL hebben nu een lang gezocht doel bereikt: ze zijn erin geslaagd zes mechanische oscillatoren in een collectieve toestand te maken, hun kwantumgedrag te observeren en fenomenen te meten die alleen optreden als de oscillatoren als een groep werken. Het onderzoek, gepubliceerd in Science, markeert een belangrijke stap voorwaarts voor de kwantumtechnologie en opent de deur naar grootschalige kwantumsystemen.
"Dit wordt mogelijk gemaakt door de extreem lage mate van wanorde tussen mechanische frequenties in het supergeleidende platform, zo laag als 0,1%", zegt Mahdi Chegnizadeh, eerste auteur van het onderzoek. "Deze precisie stelt de oscillatoren in staat een collectieve toestand binnen te gaan waarin ze zich gedragen als een verenigd systeem in plaats van als onafhankelijke componenten."
Om kwantumeffecten waar te nemen, gebruikten de wetenschappers zijbandkoeling, een techniek die de energie van de oscillator reduceert tot de kwantumgrondtoestand – de laagste energie die door de kwantummechanica wordt toegestaan.
Zijbandkoeling werkt door de oscillator te belichten met een laser waarvan de frequentie iets lager is dan de eigenfrequentie van de oscillator. De energie van licht interageert met het vibrerende systeem en trekt er energie van af. Dit proces is cruciaal voor het waarnemen van subtiele kwantumeffecten, omdat het thermische trillingen vermindert, waardoor het systeem dichter bij stationair komt.
‘Door de koppeling tussen de microgolfholte en de oscillator te vergroten, gaat het systeem over van individuele dynamiek naar collectieve dynamiek. Nog interessanter is dat we, door collectieve modi in de kwantumgrondtoestand voor te bereiden, kwantumzijbandasymmetrie hebben waargenomen, wat kenmerkend is voor kwantum collectieve beweging. Normaal gesproken is kwantumbeweging beperkt tot een enkel object, maar hier omvat het het hele oscillatorsysteem’, zegt Marco Scigliuzzo, co-auteur van het onderzoek.
De onderzoekers observeerden ook hogere koelsnelheden en de opkomst van "donkere" mechanische modi, d.w.z. modi die geen interactie hebben met de systeemholte en hogere energieën behouden.
Deze bevindingen bieden experimentele bevestiging van theorieën over collectief kwantumgedrag in mechanische systemen en openen nieuwe mogelijkheden voor het onderzoeken van kwantumtoestanden. Deze bevindingen hebben ook grote implicaties voor toekomstige kwantumtechnologieën, omdat het vermogen om collectieve kwantumbewegingen in mechanische systemen te controleren kwantumdetectie en verstrengeling van meerdere partijen mogelijk zou kunnen maken.
Samengesteld uit /scitechdaily