Inom kvantmekanikens rike har förmågan att observera och kontrollera kvantfenomen vid rumstemperatur länge varit svårfångad, särskilt i stor eller "makroskopisk" skala. Traditionellt har sådana observationer begränsats till miljöer nära absolut noll, där kvanteffekter är lättare att upptäcka. Men kravet på extrem kyla har varit ett stort hinder som begränsar praktiska tillämpningar av kvantteknologier.
Nu omdefinierar en studie ledd av Tobias J. Kippenberg och Nils Johan Engelsen vid EPFL gränserna för vad som är möjligt. Det banbrytande arbetet blandar kvantfysik och maskinteknik för att uppnå kontroll av kvantfenomen vid rumstemperatur.
"Att nå regimen för rumstemperatur kvantoptomekanik har varit en öppen utmaning sedan årtionden", säger Kippenberg. "Vårt arbete realiserar Heisenberg-mikroskopet effektivt - länge ansett att bara vara en teoretisk leksaksmodell."
I deras experimentuppställning, publicerad i Nature , skapade forskarna ett optomekaniskt system med ultralågt brus – en uppsättning där ljus och mekanisk rörelse kopplas samman, vilket gör att de kan studera och manipulera hur ljus påverkar rörliga föremål med hög precision.
Det största problemet med rumstemperatur är termiskt brus, som stör känslig kvantdynamik. För att minimera det använde forskarna kavitetsspeglar, som är specialiserade speglar som studsar ljus fram och tillbaka i ett begränsat utrymme (hålrummet), som effektivt "fångar" det och förbättrar dess interaktion med de mekaniska elementen i systemet. För att minska det termiska bruset är speglarna mönstrade med kristallliknande periodiska ("fononiska kristaller") strukturer.
En annan viktig komponent var en 4 mm trumliknande enhet som kallas en mekanisk oscillator, som interagerar med ljus inuti kaviteten. Dess relativt stora storlek och design är nyckeln till att isolera den från omgivningsljud, vilket gör det möjligt att upptäcka subtila kvantfenomen vid rumstemperatur.
"Trumman vi använder i det här experimentet är kulmen på många års ansträngningar för att skapa mekaniska oscillatorer som är väl isolerade från omgivningen", säger Engelsen.
"Teknikerna vi använde för att hantera ökända och komplexa bullerkällor är av hög relevans och inverkan på det bredare samhället av precisionsavkänning och mätning", säger Guanhao Huang, en av de två doktoranderna. studenter som leder projektet.
Upplägget gjorde det möjligt för forskarna att uppnå "optisk klämning", ett kvantfenomen där vissa egenskaper hos ljus, som dess intensitet eller fas, manipuleras för att minska fluktuationerna i en variabel på bekostnad av ökande fluktuationer i den andra, som dikterats av Heisenbergs princip.
Genom att demonstrera optisk klämning vid rumstemperatur i sitt system visade forskarna att de effektivt kunde kontrollera och observera kvantfenomen i ett makroskopiskt system utan behov av extremt låga temperaturer. Top of Form
Teamet tror att förmågan att använda systemet vid rumstemperatur kommer att utöka tillgången till kvantoptomekaniska system, som är etablerade testbäddar för kvantmätning och kvantmekanik i makroskopiska skalor.
"Systemet vi utvecklade kan underlätta nya hybridkvantsystem där den mekaniska trumman starkt interagerar med olika föremål, som fångade moln av atomer", tillägger Alberto Beccari, den andre doktorn. student som leder studien. "Dessa system är användbara för kvantinformation och hjälper oss att förstå hur man skapar stora, komplexa kvanttillstånd."
Mer information: Nils Engelsen, Rumstemperatur kvantoptomekanik med hjälp av en kavitet med ultralågt brus, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
