Forskare vid University of Colorado har nyligen utvecklat en ny teknik för att mäta mekanisk rörelse med hjälp av samtidiga elektromekaniska förstärknings- och kylningsprocesser. Deras metod, presenteras i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , tillät dem att utföra en nästan ljudlös mätning av positionen för en mekanisk oscillator, vilket hittills visat sig vara svårt att använda alternativa tekniker för att mäta rörelse.

"Vår forskning kom till av två anledningar, "Robert Delaney, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Först, vi använder dessa mekaniska system för att effektivt omvandla signaler mellan mikrovågsdomänen och den optiska domänen. Omvandlingen av signaler mellan dessa två disparata frekvensband är viktig för att nätverka framtida kvantdatorer, eller att bygga motsvarigheten till kvantinternet."

Många forskargrupper över hela världen försöker för närvarande utveckla makroskopiska mekaniska oscillatorer i verkligt kvantrörelsetillstånd, för både praktiska tillämpningar, såsom kraftavkänning, och tester av kvantmekanik i större skala. I båda dessa fall, karakterisering och mätning av de mekaniska oscillatorernas rörelse vid de gränser som kvantmekaniken ställer kommer att vara av avgörande betydelse.

Förutom att möjliggöra omvandling av signaler mellan mikrovågs- ​​och optiska domäner, Delaney och hans kollegor ville komma på ett sätt att mäta denna rörelse bortom kvantgränsen. För att uppnå detta, de modifierade en teknik som kallas back-action evading measurement. Back-action evading-mätning har setts som en av de mest lovande teknikerna för enkel kvadraturmätning av rörelse i flera år, men det har hittills uppnått otillfredsställande resultat.

"Genom samverkan mellan den mekaniska oscillatorn och en mikrovågs (eller optisk) hålighet, Back-action evading-mätning möjliggör i princip ljudlös mätning av den mekaniska oscillatorns position, "Robert Delaney, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I praktiken, detta har varit svårt att implementera eftersom ytterligare interaktioner mellan mikrovågsfältet (eller optiska) fältet och den mekaniska oscillatorn leder till instabilitet i mekanisk rörelse, som förhindrar kontinuerlig mätning."

För att övervinna problemen med dessa instabiliteter i mekanisk rörelse, forskarna modifierade det konventionella systemet för undvikande av back-action, för att avsiktligt inducera instabilitet i en mekanisk oscillator. Detta tillät dem slutligen att samla in en pulserad mätning av oscillatorns rörelse.

"Genom att applicera två mikrovågsfrekvenspumpar på mikrovågsresonatorn som är avstämda av den mekaniska oscillatorns resonansfrekvens kan vi förbättra interaktionen mellan den mekaniska oscillatorn och mikrovågsfältet, " förklarade Delaney. "En mikrovågston är rödavstämd, eller under resonansfrekvensen för mikrovågshålan, medan den andra tonen är blåavstämd, eller över kavitetens resonansfrekvens."

Den röda avstämda pumpen som används av Delaney och hans kollegor kyler den mekaniska oscillatorn via mikrovågsfältet på ett sätt som liknar hur laserkylningstekniker kyler atomer. Den blå avstämda pumpen, å andra sidan, förstärker den mekaniska oscillatorns rörelse genom att kontinuerligt tillföra energi från mikrovågsfältet till oscillatorn.

Den blå avstämda pumpen är större än den röda. När de kombineras på ett sätt som förstärker på nätet, dessa två distinkta processer stör och förstärker positionen eller momentumet (dvs. beroende på fasen av pumparna) för den mekaniska oscillatorn, nästan utan ljud. De två kvadraturkomponenter som forskarna använde för att beskriva rörelse är helt enkelt dimensionslösa versioner av den mekaniska oscillatorns position och momentum.

"Den största fördelen med denna teknik är att den kan mäta en enda kvadratur av rörelse nästan ljudlöst, och när man karakteriserar bräckliga kvanttillstånd av rörelse, även en liten mängd extra ljud kan skymma intresset, ", sa Delaney. "För att helt karakterisera ett kvanttillstånd av rörelse måste du utföra kvanttillståndstomografi, och det ideala måttet för dessa tillståndsrekonstruktionstekniker är en ljudlös enkel kvadraturmätning."

Mekaniska oscillatorer används inom flera fysikunderområden, till exempel när man bedriver forskning som undersöker kvantmekanik i större skala, kvantbegränsad kraftavkänning och kvantinformation. Tekniken som utvecklats av Delaney och hans kollegor kan således få viktiga konsekvenser för en mängd olika fysikstudier.

"I det här arbetet, vi demonstrerade en nästan ljudlös mätning av positionen för en mekanisk oscillator, vilket har varit svårt att uppnå med tidigare använda tekniker som back-action evading-mätning eller extern parametrisk förstärkning, " Delaney sa. "Vi visade också att transient elektromekanisk förstärkning kan användas för att noggrant karakterisera ett kvantpressat tillstånd, en förutsättning för att använda klämning för att förbättra kraftavkänningen."

I framtiden, metoden för att mäta mekanisk rörelse som introducerats av detta team av forskare kan öppna upp nya horisonter för fysikforskning och bana väg för utveckling av nya verktyg, inklusive kraftavkännande teknologi och tekniker för att länka samman kvantdatorer. Dessutom, deras metod kan vara idealisk för att karakterisera mekaniska oscillatorer beredda i ännu mer exotiska kvanttillstånd, såsom superpositionstillstånd eller katttillstånd, ett länge eftersträvat mål inom fysikområdet.

"Vi är nu fokuserade på att använda elektromekaniska/optomekaniska system för mikrovågs till optisk konvertering, ", sa Delaney. "När de integreras med andra kvantberäkningskomponenter som supraledande kvantbitar, vi kan använda denna teknik för att mäta rörelsen hos den mekaniska oscillatorn i detta system för att verifiera att vi genererar kvanttillstånd."

© 2019 Science X Network