Onderzoekers van de Universiteit van Colorado hebben onlangs een nieuwe techniek ontwikkeld om mechanische beweging te meten met behulp van gelijktijdige elektromechanische versterkings- en afkoelingsprocessen. hun methode, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , stelde hen in staat om een ​​bijna geruisloze meting van de positie van een mechanische oscillator uit te voeren, wat tot nu toe moeilijk is gebleken om alternatieve technieken voor het meten van beweging te gebruiken.

"Ons onderzoek kwam tot stand om twee redenen, "Robert Delaney, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Eerst, we gebruiken deze mechanische systemen om signalen efficiënt om te zetten tussen het microgolfdomein en het optische domein. De conversie van signalen tussen deze twee ongelijksoortige frequentiebanden is belangrijk voor het netwerken van toekomstige kwantumcomputers, of om het equivalent van het kwantuminternet te bouwen."

Veel onderzoeksgroepen over de hele wereld proberen momenteel macroscopische mechanische oscillatoren te ontwikkelen in echt kwantumtoestanden van beweging, voor zowel praktische toepassingen, zoals krachtdetectie, en testen van kwantummechanica op grotere schaal. In beide gevallen, het karakteriseren en meten van de beweging van de mechanische oscillatoren op de door de kwantummechanica opgelegde limieten zal van cruciaal belang zijn.

Naast het mogelijk maken van de conversie van signalen tussen microgolf- en optische domeinen, Delaney en zijn collega's wilden een manier vinden om deze beweging buiten de kwantumlimiet te meten. Om dit te behalen, ze hebben een techniek aangepast die bekend staat als back-action ontwijkende meting. Back-action ontwijkende meting wordt al jaren gezien als een van de meest veelbelovende technieken voor enkelvoudige kwadratuurmeting van beweging, toch heeft het tot dusver onbevredigende resultaten opgeleverd.

"Door de interactie van de mechanische oscillator met een microgolf (of optische) holte, back-action ontwijkende meting maakt in principe geruisloze meting van de positie van de mechanische oscillator mogelijk, "Robert Delaney, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In praktijk, dit was moeilijk te implementeren omdat extra interacties tussen het microgolf (of optische) veld en de mechanische oscillator leiden tot instabiliteiten in mechanische beweging, die continue meting verhindert."

Om de problemen in verband met deze instabiliteiten in mechanische beweging te overwinnen, de onderzoekers hebben het conventionele ontwijkingsschema voor back-action aangepast, om opzettelijk instabiliteit in een mechanische oscillator te veroorzaken. Hierdoor konden ze uiteindelijk een gepulseerde meting van de beweging van de oscillator verzamelen.

"Door twee microgolffrequentiepompen toe te passen op de microgolfresonator die ontstemd zijn door de resonantiefrequentie van de mechanische oscillator, kunnen we de interactie van de mechanische oscillator met het microgolfveld verbeteren, Delaney legde uit. "Eén microgolftoon is rood ontstemd, of onder de resonantiefrequentie van de microgolfholte, terwijl de andere toon blauw ontstemd is, of boven de resonantiefrequentie van de holte."

De rode ontstemde pomp die door Delaney en zijn collega's wordt gebruikt, koelt de mechanische oscillator via het microgolfveld op een manier die lijkt op hoe laserkoeltechnieken atomen afkoelen. De blauwe ontstemde pomp, anderzijds, versterkt de beweging van de mechanische oscillator door continu energie van het microgolfveld toe te voegen aan de oscillator.

De blauwe ontstemde pomp is groter dan de rode. Wanneer gecombineerd op een manier die op het net versterkt, deze twee verschillende processen interfereren en versterken de positie of het momentum (d.w.z. afhankelijk van de fase van de pompen) van de mechanische oscillator, met bijna geen geluid. De twee kwadratuurcomponenten die de onderzoekers gebruikten om beweging te beschrijven, zijn eenvoudig dimensieloze versies van de positie en het momentum van de mechanische oscillator.

"Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een enkele kwadratuur van beweging bijna geruisloos kan meten, en bij het karakteriseren van fragiele kwantumtoestanden van beweging, zelfs een kleine hoeveelheid toegevoegde ruis kan de staat van belang verdoezelen, "Zei Delaney. "Om een ​​kwantumtoestand van beweging volledig te karakteriseren, moet je kwantumtoestandtomografie uitvoeren, en de ideale meting voor deze toestandsreconstructietechnieken is een geruisloze enkelvoudige kwadratuurmeting."

Mechanische oscillatoren worden gebruikt in verschillende natuurkundige deelgebieden, bijvoorbeeld bij onderzoek naar kwantummechanica op grotere schaal, kwantumbegrensde krachtwaarneming en kwantuminformatie. De door Delaney en zijn collega's ontwikkelde techniek zou dus belangrijke implicaties kunnen hebben voor een verscheidenheid aan natuurkundestudies.

"In dit werk, we demonstreerden een bijna geruisloze meting van de positie van een mechanische oscillator, wat moeilijk te bereiken was met eerder gebruikte technieken zoals back-action ontwijkende meting of externe parametrische versterking, " zei Delaney. "We hebben ook aangetoond dat tijdelijke elektromechanische versterking kan worden gebruikt om een ​​kwantumgeperste toestand zorgvuldig te karakteriseren, een voorwaarde voor het gebruik van knijpen om krachtwaarneming te verbeteren."

In de toekomst, de door dit team van onderzoekers geïntroduceerde methode voor het meten van mechanische beweging zou nieuwe horizonten kunnen openen voor natuurkundig onderzoek en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe gereedschappen, waaronder force-sensing-technologie en technieken om kwantumcomputers te koppelen. In aanvulling, hun methode zou ideaal kunnen zijn voor het karakteriseren van mechanische oscillatoren die zijn voorbereid in nog meer exotische kwantumtoestanden, zoals superpositietoestanden of kattentoestanden, een lang gezocht doel op natuurkundig gebied.

"We richten ons nu op het gebruik van elektromechanische/optomechanische systemen voor microgolf-naar-optische conversie, " zei Delaney. "Wanneer geïntegreerd met andere kwantumcomputercomponenten zoals supergeleidende qubits, we kunnen deze techniek gebruiken om de beweging van de mechanische oscillator in dit systeem te meten om te verifiëren dat we kwantumtoestanden genereren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk