In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler große Fortschritte bei der Erzeugung von Quantenphänomenen in mechanischen Systemen gemacht. Was vor nur fünfzehn Jahren noch unmöglich schien, ist heute Realität, da es Forschern und Forscherinnen gelungen ist, Quantenzustände in makroskopischen mechanischen Objekten zu erzeugen.
Durch die Kopplung dieser mechanischen Oszillatoren mit Lichtphotonen, den sogenannten "optomechanischen Systemen", konnten die Wissenschaftler sie auf ihr niedrigstes Energieniveau nahe der Quantengrenze abkühlen, sie "komprimieren", um ihre Schwingungen weiter zu reduzieren, und sie ineinander verschlingen. Diese Fortschritte haben neue Möglichkeiten in verschiedenen Bereichen eröffnet, wie z. B. der Quantendetektion, der kompakten Speicherung in der Quanteninformatik, den grundlegenden Tests der Quantengravitation und sogar der Suche nach dunkler Materie.
Um optomechanische Systeme im Quantenregime effektiv nutzen zu können, stehen die Wissenschaftler vor einem Dilemma. Einerseits müssen die mechanischen Oszillatoren korrekt von ihrer Umgebung isoliert werden, um den Energieverlust zu begrenzen. Andererseits müssen sie korrekt mit anderen physikalischen Systemen wie elektromagnetischen Resonatoren gekoppelt werden, um sie zu steuern.
Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, muss die Lebensdauer des Quantenzustands der Oszillatoren maximiert werden, die von den thermischen Fluktuationen in ihrer Umgebung und den Frequenzinstabilitäten der Oszillatoren beeinflusst wird, was in der Fachsprache als "Dekohärenz" bezeichnet wird. Dies ist eine ständige Herausforderung für verschiedene Systeme, von den riesigen Spiegeln, die in Gravitationswellendetektoren verwendet werden, bis hin zu winzigen, im Hochvakuum gefangenen Teilchen. Im Vergleich zu anderen Technologien wie supraleitenden Qubits oder Ionenfallen weisen die heutigen opto- und elektromechanischen Systeme immer noch höhere Dekohärenzraten auf.
Wissenschaftler aus dem Labor von Tobias J. Kippenberg an der EPFL haben sich mit dem Problem befasst und eine optomechanische Plattform mit supraleitender Schaltung entwickelt, die eine ultraniedrige Quantendekohärenz aufweist, während sie gleichzeitig eine starke optomechanische Kopplung aufrechterhält, die eine hochtreue Quantenkontrolle ermöglicht. Ihre Arbeit wurde kürzlich in Nature Physics veröffentlicht.
"Mit anderen Worten, wir haben die längste Lebensdauer eines Quantenzustands nachgewiesen, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde, der als Quantenspeicherkomponente in Quantencomputern und Quantenkommunikationssystemen verwendet werden kann", erklärt der Doktorand Amir Youssefi, der das Projekt leitete. "Das ist ein großer Erfolg, der ein breites Publikum in den Bereichen Quantenphysik, Elektrotechnik und Maschinenbau anspricht."
Das Hauptelement dieses Fortschritts ist ein "Vakuum-Membran-Kondensator", ein schwingendes Element, das aus einem dünnen Aluminiumfilm besteht, der über einem Graben in einem Siliziumsubstrat aufgehängt ist. Der Kondensator fungiert als schwingende Komponente des Oszillators und bildet außerdem einen Mikrowellenresonanzkreis.
Mithilfe einer neuen Nanofabrikationstechnik reduzierte das Team die mechanischen Verluste im Membranresonator erheblich und erreichte so eine beispiellose thermische Dekohärenzrate von nur 20 Hz, die einer Lebensdauer des Quantenzustands von 7,7 Millisekunden entspricht - die längste Zeit, die jemals in einem mechanischen Oszillator erreicht wurde.
Die bemerkenswerte Verringerung der wärmeinduzierten Dekohärenz ermöglichte es den Forscherinnen und Forschern, die optomechanische Kühltechnik zu verwenden, was zu einer beeindruckenden Treue von 93% bei der Besetzung des Quantenzustands im Grundzustand führte. Das Team erreichte außerdem eine mechanische Kompression, die mit einem Wert von -2,7 dB geringer war als die Nullpunktfluktuation der Bewegung.
"Dieses Maß an Kontrolle ermöglicht es uns, die freie Entwicklung der komprimierten mechanischen Zustände zu beobachten, wobei ihr Quantenverhalten über einen längeren Zeitraum von 2 Millisekunden erhalten bleibt, was auf die außergewöhnlich niedrige reine Phasenverschiebungsrate von nur 0,09 Hz im mechanischen Oszillator zurückzuführen ist", sagt Shingo Kono, der an der Forschung beteiligt war.
"Diese ultraschwache Quantendekohärenz erhöht nicht nur die Treue der Quantenkontrolle und -messung makroskopischer mechanischer Systeme, sondern kommt auch der Schnittstelle zu den supraleitenden Qubits zugute und versetzt das System in ein Parameterregime, das für Tests der Quantengravitation geeignet ist", fügt Mahdi Chegnizadeh, ein weiteres Mitglied des Forschungsteams, hinzu. Die im Vergleich zu supraleitenden Qubits deutlich längere Speicherzeit macht die Plattform zu einem idealen Kandidaten für Quantenspeicheranwendungen."
Das Gerät wurde im Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) der EPFL hergestellt.
