Ett "kvantsprång" vid rumstemperatur

Historiskt sett har observationer av kvantfenomen begränsats till miljöer nära absolut nollpunkten, där kvanteffekter är lättare att upptäcka. Men kravet på extremt låga temperaturer har länge utgjort ett stort hinder för tillämpningar av kvantteknologier i praktiken.

Nu kan en studie ledd av Tobias J. Kippenberg vid EPFL och Nils Johan Engelsen vid Chalmers omdefiniera gränserna för vad som är möjligt på området. Det banbrytande arbetet blandar kvantfysik och maskinteknik för att uppnå kontroll av kvantfenomen vid rumstemperatur.

- Vårt arbete är en spännande milstolpe för området optomekanik, med tanke på de ansträngningar som fältet har ägnat åt att nå kvantregimen vid rumstemperatur, säger Tobias J. Kippenberg, professor i fysik vid EPFL och verksam inom fotonik och kvantmätningar.

I sin experimentella uppställning, som är publicerad i Nature, skapade forskarna ett optomekaniskt system med ultralågt brus – en uppsättning där ljus och mekanisk rörelse kopplas samman, vilket gör att de kan studera och manipulera hur ljus påverkar rörliga föremål med hög precision.

Det största problemet med rumstemperatur är termiskt brus som stör känslig kvantdynamik. För att minimera bruset använde forskarna kavitetsspeglar, som är en slags specialiserade speglar som får ljuset att studsa fram och tillbaka i ett begränsat utrymme, i så kallade kaviteter. Kaviteten kan på ett effektivt sätt "fånga" ljuset och förbättra dess interaktion med de mekaniska elementen i systemet. För att minska det termiska bruset är speglarna mönstrade med kristall-liknande periodiska, eller "fononiska", strukturer.

En annan viktig komponent i studien var en 4 millimeter stor trumliknande enhet, en så kallad mekanisk oscillator som interagerar med ljus inuti kaviteten. Enhetens relativt stora storlek och design utgjorde nyckeln till att isolera den från omgivande brus, vilket gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka subtila kvantfenomen vid rumstemperatur.

- Trumman vi använder i det här experimentet är kulmen på många års arbete för att skapa mekaniska oscillatorer som är väl isolerade från omgivningen, säger Nils Johan Engelsen, idag verksam som forskarassistent i kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

– Teknikerna vi använde för att hantera de ökända och komplexa bullerkällorna är av hög relevans för det bredare samhället och kan få stor inverkan när det gäller precisionsavkänning och mätning, säger Guanhao Huang, en av de två doktorander vid EPFL som leder projektet.

Upplägget gjorde det möjligt för forskarna att uppnå "optisk klämning", ett kvantfenomen där vissa egenskaper hos ljus, som till exempel intensitet eller fas, manipuleras för att minska fluktuationerna i en variabel på bekostnad av ökande fluktuationer i den andra. Detta fenomen dikteras av den så kallade Heisenbergs princip.

Genom att demonstrera optisk klämning vid rumstemperatur i sitt system visade forskarna att de effektivt kunde kontrollera och observera kvantfenomen i ett makroskopiskt system utan behov av extremt låga temperaturer.

Teamet tror att förmågan att använda systemet vid rumstemperatur kommer att kunna utöka tillgången till kvantoptomekaniska system, i form av etablerade testbäddar för kvantmätning och kvantmekanik i makroskopiska skalor.
– Systemet vi utvecklade kan möjliggöra nya hybridkvantsystem där den mekaniska trumman interagerar på ett bra sätt med olika objekt, liksom fångade moln av atomer, tillägger Alberto Beccari, en av de två doktoranderna som ledde studien.

– Dessa system är användbara för kvantinformation och hjälper oss att förstå hur man skapar stora, komplexa kvanttillstånd, säger han.

Mer info:
Room-temperature quantum optomechanics using an ultra-low noise cavity

Finansiering
Schweiziska National Science Foundation
EU Horizon 2020

Kontakt: Nils Johan Engelsen, forskarassistent vid kvantteknologi, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

nils.engelsen@chalmers.se

tel:+46-31-772-21-08