Un salto quantico nella tecnologia degli oscillatori meccanici

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Immagine al microscopio elettronico a scansione di un sistema elettromeccanico superconduttore ultracoerente. Credito fotografico: Amir Youssefi (EPFL)
Gli scienziati dell’EPFL sono riusciti a prolungare la durata dello stato quantistico di un oscillatore meccanico. Questa scoperta ha implicazioni di vasta portata per l’informatica quantistica e i sistemi di comunicazione.

Negli ultimi dieci anni, gli scienziati hanno compiuto progressi significativi nella creazione di fenomeni quantistici nei sistemi meccanici. Ciò che sembrava impossibile solo quindici anni fa è ora diventato realtà, poiché i ricercatori sono riusciti a creare stati quantistici in oggetti meccanici macroscopici.

Accoppiando questi oscillatori meccanici a fotoni luminosi, noti come "sistemi optomeccanici", gli scienziati sono riusciti a raffreddarli fino al loro livello energetico più basso, vicino al limite quantistico, a "comprimerli" per ridurre ulteriormente le loro vibrazioni e ad agganciarli l’uno all’altro. Questi progressi hanno aperto nuove prospettive in diversi campi, tra cui la rilevazione quantistica, la memorizzazione compatta nell’informatica quantistica, i test fondamentali della gravità quantistica e persino la ricerca della materia oscura.

Per sfruttare efficacemente i sistemi optomeccanici nel regime quantistico, gli scienziati devono affrontare un dilemma. Da un lato, gli oscillatori meccanici devono essere adeguatamente isolati dall’ambiente circostante per limitare la perdita di energia. Dall’altro, devono essere adeguatamente accoppiati ad altri sistemi fisici, come i risonatori elettromagnetici, per poterli controllare.

Per raggiungere questo equilibrio, dobbiamo massimizzare la durata dello stato quantistico degli oscillatori, che è influenzato dalle fluttuazioni termiche del loro ambiente e dalle instabilità di frequenza negli oscillatori, note nel campo come "decoerenza". Questa è una sfida continua per diversi sistemi, dai giganteschi specchi utilizzati nei rivelatori di onde gravitazionali alle minuscole particelle intrappolate nell’alto vuoto. Rispetto ad altre tecnologie, come i qubit superconduttori o le trappole ioniche, gli attuali sistemi opto- ed elettromeccanici presentano ancora tassi di decoerenza più elevati.

Gli scienziati del laboratorio di Tobias J. Kippenberg all’EPFL hanno affrontato il problema sviluppando una piattaforma optomeccanica con un circuito superconduttore che presenta una decoerenza quantistica bassissima pur mantenendo un elevato accoppiamento optomeccanico, consentendo un controllo quantistico ad alta fedeltà. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Nature Physics.

"In altre parole, abbiamo dimostrato la più lunga durata di uno stato quantistico mai raggiunta in un oscillatore meccanico, che può essere utilizzato come componente di archiviazione quantistica nei sistemi di comunicazione e di calcolo quantistico", spiega il dottorando Amir Youssefi, che ha guidato il progetto. "Si tratta di un grande risultato che raggiunge un vasto pubblico nei campi della fisica quantistica, dell’ingegneria elettrica e dell’ingegneria meccanica".

L’elemento principale di questa scoperta è un "condensatore a membrana sotto vuoto", un elemento vibrante costituito da una sottile pellicola di alluminio sospesa sopra una fossa in un substrato di silicio. Il condensatore funge da componente vibrante dell’oscillatore e forma anche un circuito a microonde risonante.

Utilizzando una nuova tecnica di nanofabbricazione, il team ha ridotto notevolmente le perdite meccaniche nel risonatore a membrana, ottenendo un tasso di decoerenza termica senza precedenti di soli 20 Hz, equivalente a una durata di vita dello stato quantico di 7,7 millisecondi, la più lunga mai raggiunta in un oscillatore meccanico.

La notevole riduzione della decoerenza indotta dal calore ha permesso ai ricercatori di utilizzare la tecnica di raffreddamento optomeccanico, ottenendo un’impressionante fedeltà del 93% dell’occupazione dello stato quantico allo stato fondamentale. Il team ha anche ottenuto una compressione meccanica al di sotto della fluttuazione del punto zero del movimento, con un valore di -2,7 dB.

"Questo livello di controllo ci permette di osservare la libera evoluzione degli stati meccanici compressi preservando il loro comportamento quantistico per un periodo prolungato di 2 millisecondi, grazie al tasso di spostamento di fase pura eccezionalmente basso, pari a soli 0,09 Hz, dell’oscillatore meccanico", spiega Shingo Kono, che ha partecipato alla ricerca.

"Questa bassissima decoerenza quantistica non solo aumenta la fedeltà del controllo e della misurazione quantistica dei sistemi meccanici macroscopici, ma avvantaggia anche l’interfaccia con i qubit superconduttori e pone il sistema in un regime di parametri adatto ai test di gravità quantistica", aggiunge Mahdi Chegnizadeh, un altro membro del team di ricerca. Il tempo di immagazzinamento significativamente più lungo rispetto ai qubit superconduttori rende la piattaforma un candidato ideale per le applicazioni di immagazzinamento quantistico".

Il dispositivo è stato prodotto presso il Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) dell’EPFL.

Riferimenti

Youssefi, A., Kono, S., Chegnizadeh, M. et al. Un oscillatore meccanico compresso con decoerenza quantistica al millisecondo. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567­’023 -02135-y