In een recent experiment bij EPFL, een microgolfresonator, een circuit dat elektrische signalen ondersteunt die oscilleren met een resonantiefrequentie, is gekoppeld aan de trillingen van een metalen microtrommel. Door de mechanische beweging actief te koelen in de buurt van de laagste energie toegestaan ​​door de kwantummechanica, de microdrum kan worden omgezet in een kwantumreservoir - een omgeving die de toestanden van de microgolven kan bepalen. De bevindingen worden gepubliceerd als een geavanceerde publicatie in Natuurfysica .

László Daniel Tóth, Nathan Bernier, en Dr. Alexey Feofanov leidde de onderzoeksinspanningen in Tobias Kippenberg's Laboratory of Photonics and Quantum Measurements bij EPFL, met steun van dr. Andreas Nunnenkamp, een theoreticus aan de Universiteit van Cambridge, VK.

Microgolven zijn elektromagnetische golven, net als zichtbaar licht, maar met een frequentie die vier ordes van grootte kleiner is. Microgolven vormen de ruggengraat van verschillende alledaagse technologieën, van magnetrons en mobiele telefoons tot satellietcommunicatie, en zijn recentelijk belangrijker geworden bij het manipuleren van kwantuminformatie in supergeleidende circuits - een van de meest veelbelovende kandidaten om toekomstige kwantumcomputers te realiseren.

De microtrommel, slechts 30 micron in diameter, 100 nanometer dik en vervaardigd in het Center of MicroNanotechnology (CMi) bij EPFL, vormt de bovenplaat van een condensator in een supergeleidende microgolfresonator. De positie van de drum moduleert de resonantiefrequentie van de resonator en, omgekeerd, een spanning over de condensator oefent een kracht uit op de microtrommel. Door deze bidirectionele interactie, energie kan worden uitgewisseld tussen mechanische trillingen en de microgolftrillingen in het supergeleidende circuit.

In het experiment, de microdrum wordt eerst gekoeld tot dicht bij zijn laagste energiekwantumniveau door een geschikt afgestemde microgolftoon. Elk microgolffoton (een kwantum van licht) voert de energie van een fonon (een kwantum van mechanische beweging) weg, zodat de mechanische energie wordt verminderd. Dit koelproces verhoogt de dissipatie en verandert de microtrommel in een dissipatief reservoir voor de microgolfresonator.

Door de interacties tussen de holte en de gekoelde microdrum af te stemmen, die nu een omgeving is voor de microgolven, de holte kan worden omgezet in een microgolfversterker. Het meest interessante aspect van dit versterkingsproces is de toegevoegde ruis, dat is, hoeveel willekeurig, ongewenste fluctuaties worden toegevoegd aan het versterkte signaal.

Hoewel contra-intuïtief, kwantummechanica dicteert dat deze toegevoegde ruis niet volledig kan worden onderdrukt, zelfs in principe. De versterker die in het EPFL-experiment is gerealiseerd, werkt zeer dicht bij deze limiet, daarom is het zo "stil" als het maar zijn kan. interessant, in een ander regime, de microdrum verandert de microgolfresonator in een maser (of microgolflaser).

"Er is de afgelopen jaren veel onderzoeksfocus geweest om mechanische oscillatoren in het kwantumregime te brengen." zegt dr. Alexey Feofanov, postdoctoraal onderzoeker op het project. "Echter, ons experiment is een van de eerste die daadwerkelijk hun mogelijkheden voor toekomstige kwantumtechnologieën laat zien en benut."

Vooruit kijken, dit experiment maakt nieuwe fenomenen in optomechanische systemen mogelijk, zoals geruisloze microgolfroutering of microgolfverstrengeling. Over het algemeen, het bewijst dat mechanische oscillatoren een nuttige hulpbron kunnen zijn in het snelgroeiende gebied van kwantumwetenschap en techniek.

Toekomstige activiteiten met betrekking tot de opkomende onderzoeksmogelijkheden die door dit werk worden gecreëerd, zullen worden ondersteund door twee recent gestarte EC Horizon 2020-projecten:Hybrid Optomechanical Technologies (HOT) en Optomechanical Technologies (OMT), beide gecoördineerd bij EPFL.