Fysiker vid Universität Regensburg har kopplat vibrationerna i en makromolekyl - ett kolnanorör - till en mikrovågshålighet, skapa ett nytt och mycket miniatyriserat optomekaniskt system. Teamet av Dr. Andreas K. Hüttel uppnådde detta genom att använda kvantiseringen av den elektriska laddningen, dvs. att den bärs av enstaka elektroner, som en stark förstärkarmekanism. Deras resultat publicerades den 2 april i Naturkommunikation . De presenterar ett viktigt steg mot att kombinera helt olika kvantteknologier, som, t.ex., elektronspinns qubits och supraledande qubits, i en enhet.

I vanliga fall, Det är svårt att koppla rörelsen hos en makromolekyl som ett kolnanorör till mikrovågor. Varför? Eftersom elektromagnetiska våglängder som används i kvantberäkningar eller kavitetskvantelektrodynamiska enheter, arbetar på GHz-frekvenser, ligger inom millimeterområdet. En typisk nanorörsenhet, användbar både för att fånga elektroner i kända kvanttillstånd och som vibrationsresonator, är mindre än en mikrometer lång, med vibrationsamplituder under en nanometer. Som ett resultat av denna oöverensstämmelse mellan storlekar, rörelsen av nanoröret ändrar helt enkelt inte det elektromagnetiska fältet i en mikrovågshålighet mycket. Kopplingen som förutsägs av standardoptomekanisk teori är minimal.

Fortfarande, uppnå en sådan koppling och kontrollera den, utan att driva nanoröret till stora vibrationsamplituder, är av många anledningar en attraktiv idé. Ett nanorör är en utmärkt strängresonator, lagra energi under lång tid; dess vibration skulle kunna användas för att översätta kvantinformation mellan fundamentalt olika frihetsgrader. Och både enstaka fångade elektroner och supraledande mikrovågskretsar är heta kandidater för kvantberäkningsarkitekturer.

Regensburg-experimentet, publicerad som en öppen artikel, har visat att samspelet mellan de två systemen, vibrationer och elektromagnetiska fält, kan förstärkas med en faktor 10, 000 jämfört med enkla geometriska förutsägelser. Detta uppnås genom att använda så kallad kvantkapacitans:ström bärs av diskreta elektroner, vilket innebär att man laddar upp en mycket liten kondensator, som ett nanorör, sker inte kontinuerligt utan snarare i steg. Genom att välja en arbetspunkt på den stegliknande kurvan, den optomekaniska kopplingen är kontrollerbar, och kan snabbt slås på och av.

"Vi implementerar ett så kallat dispersivt kopplat optomekaniskt system - nytt och spännande å ena sidan på grund av miniatyriseringen av den mekaniska delen och de enskilda elektroneffekterna, men välkänd å andra sidan, eftersom det finns en enorm mängd teoretisk och experimentell forskning på större (upp till makroskopiska skalor) optomekaniska system, " säger Dr Hüttel, för närvarande på en forskningsvistelse vid Aalto-universitetet, Finland. "Optomekanisk interaktion kan användas för kylning av vibrationer, för att upptäcka det på ett mycket känsligt sätt, för förstärkning av signaler, eller till och med för godtycklig förberedelse av kvanttillstånd. Våra resultat indikerar att kvantkontroll av den strängliknande nanorörsvibrationen kommer att kunna nås inom en snar framtid. Och det gör den väldigt attraktiv som en sorts kvantväxel, kombinerar väldigt olika kvantfenomen."