Natuurkundigen van de Universität Regensburg hebben de trillingen van een macromolecuul - een koolstofnanobuisje - gekoppeld aan een microgolfholte, het creëren van een nieuw en sterk geminiaturiseerd optomechanisch systeem. Het team van Dr. Andreas K. Hüttel heeft dit bereikt door gebruik te maken van de kwantisering van de elektrische lading, d.w.z., dat het wordt gedragen door enkele elektronen, als een sterk versterkermechanisme. Hun bevindingen werden op 2 april gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Ze vormen een belangrijke stap in de richting van het combineren van totaal verschillende kwantumtechnologieën, als, bijv. elektronenspinqubits en supergeleidende qubits, in één apparaat.

Normaal gesproken, het koppelen van de beweging van een macromolecuul zoals een koolstofnanobuis aan microgolven is moeilijk. Waarom? Omdat elektromagnetische golflengten die worden gebruikt in kwantumcomputer- of holte-kwantumelektrodynamische apparaten, werken op GHz-frequenties, bevinden zich in het millimeterbereik. Een typisch nanobuis-apparaat, nuttig zowel voor het vangen van elektronen in bekende kwantumtoestanden als als trillingsresonator, is minder dan een micrometer lang, met trillingsamplitudes onder een nanometer. Als gevolg van deze mismatch van maten, de beweging van de nanobuis verandert het elektromagnetische veld van een microgolfholte niet veel. De koppeling voorspeld door de standaard optomechanische theorie is minimaal.

Nog altijd, een dergelijke koppeling te realiseren en te beheersen, zonder de nanobuis naar grote trillingsamplitudes te sturen, is om vele redenen een aantrekkelijk idee. Een nanobuis is een uitstekende snaarresonator, energie voor een lange tijd opslaan; zijn vibratie zou kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie te vertalen tussen fundamenteel verschillende vrijheidsgraden. En zowel enkelvoudig gevangen elektronen als supergeleidende microgolfcircuits zijn populaire kandidaten voor kwantumberekeningsarchitecturen.

Het Regensburg-experiment, gepubliceerd als een open access artikel, heeft aangetoond dat de interactie tussen de twee systemen, trillingen en elektromagnetisch veld, kan worden versterkt met een factor 10, 000 vergeleken met eenvoudige geometrische voorspellingen. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van zogenaamde kwantumcapaciteit:stroom wordt gedragen door discrete elektronen, wat betekent dat het opladen van een zeer kleine condensator, zoals een nanobuis, gebeurt niet continu maar in stappen. Door een werkpunt op de trapvormige curve te kiezen, de optomechanische koppeling is regelbaar, en kan snel worden in- en uitgeschakeld.

"We implementeren een zogenaamd dispersief gekoppeld optomechanisch systeem - nieuw en opwindend aan de ene kant vanwege de miniaturisatie van het mechanische deel en de effecten van een enkel elektron, maar aan de andere kant wel bekend, aangezien er een enorme hoeveelheid theoretisch en experimenteel onderzoek op grotere (tot macroscopische schalen) optomechanische systemen bestaat, " zegt Dr. Hüttel, momenteel op onderzoeksverblijf aan de Aalto University, Finland. "Optomechanische interactie kan worden gebruikt voor het koelen van de trillingen, om het op een zeer gevoelige manier te detecteren, voor versterking van signalen, of zelfs voor willekeurige voorbereiding van kwantumtoestanden. Onze resultaten geven aan dat kwantumcontrole van de snaarachtige nanobuisvibratie in de nabije toekomst bereikbaar zal zijn. En dat maakt het heel aantrekkelijk als een soort kwantumschakelbord, het combineren van zeer verschillende kwantumverschijnselen."