Ein "Quantensprung" bei Raumtemperatur

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Konzeptuelles Schema der Funktionsweise. Credit: EPFL & Second Bay Studios
Konzeptuelles Schema der Funktionsweise. Credit: EPFL & Second Bay Studios
Wissenschaftler der EPFL haben einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem sie Quantenphänomene bei Raumtemperatur kontrollieren.

Bild: Konzeptzeichnung des Betriebsgeräts, bestehend aus einer mit Nanopillars beladenen Trommel, die von zwei periodischen Segmentspiegeln umschlossen wird. Dadurch kann das Laserlicht bei Raumtemperatur stark und mechanisch mit dem Quantum der Trommel interagieren. Credit: EPFL und Second Bay Studios

Im Bereich der Quantenmechanik ist die Beobachtung und Kontrolle von Quantenphänomenen bei Raumtemperatur seit langem eine komplexe Aufgabe, insbesondere im großen Maßstab oder auf der "makroskopischen" Skala. In der Regel beschränken sich diese Beobachtungen auf Umgebungen nahe dem absoluten Nullpunkt, wo Quanteneffekte leichter zu erkennen sind. Die Notwendigkeit extremer Kälte ist jedoch ein großes Hindernis, das die praktische Anwendung von Quantentechnologien einschränkt.

Jetzt definiert eine Studie von Tobias J. Kippenberg und Nils Johan Engelsen von der EPFL die Grenzen des Möglichen neu. Ihre bahnbrechende Arbeit verbindet die Quantenphysik mit dem Maschinenbau, um Quantenphänomene bei Raumtemperatur zu kontrollieren.

"Das Erreichen des Regimes der Quanten-Optomechanik bei Raumtemperatur ist seit Jahrzehnten eine Herausforderung, der man sich stellen muss", sagt Tobias J. Kippenberg. "Unsere Arbeit nutzt die Fähigkeiten des Heisenberg-Mikroskops voll aus, das lange Zeit als bloßes theoretisches Spielzeug galt."

In ihrem Versuchsaufbau, dessen Beschreibung in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben die Forscher ein optomechanisches System mit sehr geringem Rauschen geschaffen. In dieser Anlage sind Licht und mechanische Bewegung miteinander verbunden, so dass sie den Einfluss von Licht auf sich bewegende Objekte mit großer Genauigkeit untersuchen und manipulieren können.

Diese Systeme sind nützlich für die Quanteninformation und helfen uns zu verstehen, wie wir große und komplexe Quantenzustände erzeugen können.

Alberto Beccari, einer der beiden Doktoranden, die die Studie leiten

Das Hauptproblem bei Raumtemperatur ist das thermische Rauschen, das die empfindliche Quantendynamik stört. Um dieses Phänomen abzuschwächen, verwendeten die Wissenschaftler spezielle Hohlraumspiegel, die das Licht in einen begrenzten Raum (den Hohlraum) zurückwerfen, es effektiv "einfangen" und seine Wechselwirkung mit den mechanischen Elementen des Systems verbessern. Um das thermische Rauschen zu reduzieren, enthalten die Spiegel periodische, kristallähnliche Strukturen ("phononische Kristalle").

Ein weiteres unverzichtbares Element ist ein 4 mm großes, trommelförmiges Gerät, das als mechanischer Oszillator bezeichnet wird und mit dem Licht im Hohlraum interagiert. Seine relativ große Größe und sein Design sind entscheidend, um ihn von den Umgebungsgeräuschen zu isolieren, was es ermöglicht, subtile Quantenphänomene bei Raumtemperatur zu erkennen. "Die Trommel, die wir in diesem Experiment verwenden, ist das Ergebnis jahrelanger Bemühungen, mechanische Oszillatoren herzustellen, die gut von der Umgebung isoliert sind", sagt Nils Johan Engelsen.

"Die Techniken, die wir zur Behandlung bekannter und komplexer Rauschquellen eingesetzt haben, sind von großer Relevanz und Wirkung für die erweiterte Gemeinschaft, die sich auf Präzisionsdetektion und -messung spezialisiert hat", erklärt Guanhao Huang, einer der beiden Doktoranden, die das Projekt leiten.

Diese Anlage ermöglichte es den Forschern, eine "optische Kompression" durchzuführen. Dabei handelt es sich um ein Quantenphänomen, bei dem bestimmte Eigenschaften des Lichts, z. B. seine Intensität oder Phase, manipuliert werden, um die Fluktuationen einer Variablen auf Kosten der Zunahme der Fluktuationen der anderen zu verringern, wie es das Heisenberg-Prinzip vorschreibt.

Durch die Demonstration der optischen Kompression bei Raumtemperatur in ihrem System haben die Forscher gezeigt, dass sie Quantenphänomene in einem makroskopischen System effektiv kontrollieren und beobachten können, ohne extrem niedrige Temperaturen zu benötigen. Top of Form

Laut dem Team wird der Betrieb des Systems bei Raumtemperatur den Zugang zu optomechanischen Quantensystemen erweitern, die etablierte Prüfstände für Messungen und Quantenmechanik auf makroskopischer Ebene sind.

"Das von uns entwickelte System könnte die Schaffung hybrider Quantensysteme erleichtern, in denen die mechanische Trommel stark mit verschiedenen Objekten interagiert, wie z. B. Wolken gefangener Atome", fügt Alberto Beccari hinzu, der andere Doktorand, der die Studie leitet. "Diese Systeme sind nützlich für die Quanteninformation und helfen uns zu verstehen, wie man große und komplexe Quantenzustände erzeugen kann."

Referenzen

Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen, Tobias J. Kippenberg. Room-temperature quantum optomechanics using an ultra-low noise cavity. Nature 14 February 2024. DOI: 10.1038/s41586’023 -06997-3.