För första gången, forskare har lyckats skapa en stark koppling mellan kvantsystem över ett stort avstånd. De uppnådde detta med en ny metod där en laserslinga ansluter systemen, möjliggör nästan förlustfritt utbyte av information och stark interaktion mellan dem. I journalen Vetenskap , fysiker från universitetet i Basel och universitetet i Hannover rapporterade att den nya metoden öppnar nya möjligheter för kvantnätverk och kvantsensorteknik.

Kvantteknologi är för närvarande ett av de mest aktiva forskningsområdena i världen. Det drar fördel av de speciella egenskaperna hos kvantmekaniska tillstånd av atomer, ljus, eller nanostrukturer att utveckla, till exempel, nya sensorer för medicin och navigering, nätverk för informationsbehandling och kraftfulla simulatorer för materialvetenskap. För att generera dessa kvanttillstånd krävs normalt en stark interaktion mellan de involverade systemen, som mellan flera atomer eller nanostrukturer.

Tills nu, dock, tillräckligt starka interaktioner var begränsade till korta sträckor. Vanligtvis, två system måste placeras nära varandra på samma chip vid låga temperaturer eller i samma vakuumkammare, där de interagerar via elektrostatiska eller magnetostatiska krafter. Koppla dem över större avstånd, dock, krävs för många applikationer, till exempel kvantnätverk eller vissa typer av sensorer.

Ett team av fysiker, ledd av professor Philipp Treutlein från institutionen för fysik vid universitetet i Basel och Swiss Nanoscience Institute (SNI), har nu lyckats för första gången skapa stark koppling mellan två system över ett större avstånd över en rumstemperaturmiljö. I deras experiment, forskarna använde laserljus för att koppla ihop vibrationerna i ett 100 nanometer tunt membran till rörelsen av atomernas snurr över ett avstånd av en meter. Som ett resultat, varje vibration i membranet sätter igång atomernas snurr och vice versa.

En slinga av ljus fungerar som en mekanisk fjäder

Experimentet bygger på ett koncept som forskarna utvecklat tillsammans med den teoretiska fysikern professor Klemens Hammerer från University of Hannover. Det handlar om att skicka en laserstråle fram och tillbaka mellan systemen. "Ljuset beter sig då som en mekanisk fjäder som sträcker sig mellan atomerna och membranet, och överför krafter mellan de två, "förklarar doktor Thomas Karg, som genomförde experimenten som en del av sin doktorsavhandling vid universitetet i Basel. I denna laserslinga, ljusets egenskaper kan styras så att ingen information om rörelsen i de två systemen går förlorad för miljön, på så sätt säkerställs att den kvantmekaniska interaktionen inte störs.

Forskarna har nu lyckats implementera detta koncept experimentellt för första gången och använt det i en rad experiment. "Kopplingen av kvantsystem med ljus är mycket flexibel och mångsidig, "förklarar Treutlein." Vi kan styra laserstrålen mellan systemen, vilket gör att vi kan generera olika typer av interaktioner som är användbara för kvantsensorer, till exempel."

Ett nytt verktyg för kvantteknik

Förutom att koppla atomer med nanomekaniska membran, den nya metoden kan också användas i flera andra system; till exempel, vid koppling av superledande kvantbitar eller solid-state-spinnsystem som används i kvantberäkningsforskning. Den nya tekniken för ljusmedierad koppling kan användas för att koppla samman sådana system, skapa kvantnätverk för informationsbehandling och simuleringar. Treutlein är övertygad:"Detta är en ny, mycket användbart verktyg för vår kvantteknologiska verktygslåda. "