I ett nyligen genomfört experiment vid EPFL, en mikrovågsresonator, en krets som stöder elektriska signaler som oscillerar vid en resonansfrekvens, är kopplad till vibrationerna från en metallisk mikrotrumma. Genom att aktivt kyla den mekaniska rörelsen nära den lägsta energi som kvantmekaniken tillåter, mikrotrumman kan förvandlas till en kvantreservoar - en miljö som kan forma mikrovågornas tillstånd. Resultaten publiceras som en avancerad publikation i Naturfysik .

László Dániel Tóth, Nathan Bernier, och Dr Alexey Feofanov ledde forskningsansträngningen i Tobias Kippenbergs Laboratory of Photonics and Quantum Measurements vid EPFL, med stöd från Dr Andreas Nunnenkamp, en teoretiker vid University of Cambridge, STORBRITANNIEN.

Mikrovågor är elektromagnetiska vågor, precis som synligt ljus, men med en frekvens som är fyra storleksordningar mindre. Mikrovågor utgör ryggraden i flera vardagliga teknologier, från mikrovågsugnar och mobiltelefoner till satellitkommunikation, och har nyligen fått ytterligare betydelse för att manipulera kvantinformation i supraledande kretsar - en av de mest lovande kandidaterna för att realisera framtida kvantdatorer.

Mikrotrumman, endast 30 mikrometer i diameter, 100 nanometer tjock och tillverkad i Center of MicroNanotechnology (CMi) vid EPFL, utgör toppplattan på en kondensator i en supraledande mikrovågsresonator. Trummans position modulerar resonatorns resonansfrekvens och, omvänt, en spänning över kondensatorn utövar en kraft på mikrotrumman. Genom denna dubbelriktade interaktion, energi kan utbytas mellan mekaniska vibrationer och mikrovågssvängningarna i den supraledande kretsen.

I experimentet, mikrotrumman kyls först nära sin lägsta energikvantnivå med en lämpligt avstämd mikrovågston. Varje mikrovågsfoton (ett ljuskvantum) bär bort energin från en fonon (ett kvant av mekanisk rörelse) så att den mekaniska energin reduceras. Denna kylningsprocess ökar förlusten och förvandlar mikrotrumman till en dissipativ reservoar för mikrovågsresonatorn.

Genom att ställa in växelverkan mellan kaviteten och den kylda mikrotrumman, som nu är en miljö för mikrovågorna, kaviteten kan förvandlas till en mikrovågsförstärkare. Den mest intressanta aspekten av denna förstärkningsprocess är det extra bruset, det är, hur mycket slumpmässigt, oönskade fluktuationer läggs till den förstärkta signalen.

Även om det är kontraintuitivt, kvantmekaniken dikterar att detta extra brus inte kan undertryckas helt, även i princip. Förstärkaren som realiserades i EPFL-experimentet fungerar mycket nära denna gräns, därför är det så "tyst" som det kan bli. Intressant, i en annan regim, mikrotrumman förvandlar mikrovågsresonatorn till en maser (eller mikrovågslaser).

"Det har varit mycket forskningsfokus på att föra in mekaniska oscillatorer i kvantregimen under de senaste åren." säger Dr Alexey Feofanov, postdoktor i projektet. "Dock, vårt experiment är ett av de första som faktiskt visar och utnyttjar deras kapacitet för framtida kvantteknologi."

Blickar framåt, detta experiment möjliggör nya fenomen i kavitets optomekaniska system som ljudlös mikrovågsdirigering eller mikrovågsintrassling. Rent generellt, det bevisar att mekaniska oscillatorer kan vara en användbar resurs inom det snabbt växande området kvantvetenskap och teknik.

Framtida aktiviteter om de framväxande forskningsmöjligheterna som skapas av detta arbete kommer att stödjas av två nyligen startade EC Horizon 2020-projekt:Hybrid Optomechanical Technologies (HOT) och Optomechanical Technologies (OMT), båda koordinerade vid EPFL.