Исследователи из EPFL объединили мощность шести механических осцилляторов в одно коллективное состояние. Это большой прорыв, поскольку он позволит разрабатывать сверхточные датчики и другие компоненты, имеющие решающее значение для крупномасштабных квантовых систем.
Механические осцилляторы — это устройства, которые можно найти во многих повседневных инструментах и технологиях. Они способны производить точное, повторяющееся движение, преобразуя кинетическую энергию в потенциальную и наоборот.
Примером может служить маятник в ваших настенных часах, который качается вперед и назад. Пружины и поршни — еще один пример. Однако до сих пор эти макроскопические осцилляторы использовались для обычных приложений. Ученые хотят использовать их для квантовых систем.
Это связано с тем, что «управление механическими осцилляторами на квантовом уровне имеет решающее значение для разработки будущих технологий квантовых вычислений и сверхточных датчиков», отмечают авторы исследования .
Секрет коллективного управления осцилляторами
Предыдущие исследовательские работы были сосредоточены на использовании одного механического осциллятора для квантовых систем. Этот подход хорошо работает для приложений малого масштаба, таких как квантовое сжатие (метод снижения неопределенности в одном аспекте системы) или охлаждение основного состояния (охлаждение системы до ее самого низкого энергетического состояния).
Однако мощные крупномасштабные квантовые системы «требуют исключительно точного управления несколькими осцилляторами с почти идентичными свойствами», по словам команды EPFL. Именно здесь могут помочь результаты нового исследования.
Исследователи использовали технику, называемую охлаждением боковой полосы. Она включает использование лазера для охлаждения атомов и ионов до их основного состояния. Когда этот лазер применяется к осциллятору, он снижает тепловые колебания в системе, заставляя ее становиться неподвижной.
Используя эту технику, авторы исследования превратили шесть отдельных осцилляторов в коллективную систему , гексамер. Они также связали осцилляторы с микроволновой полостью, что позволило осцилляторам взаимодействовать более эффективно.
«Что еще интереснее, подготавливая коллективную моду в ее квантовом основном состоянии, мы наблюдали квантовую асимметрию боковой полосы, которая является отличительной чертой квантового коллективного движения. Обычно квантовое движение ограничивается одним объектом, но здесь оно охватило всю систему осцилляторов», — объяснил Марко Шиглиуццо, соавтор исследования и научный сотрудник-постдок в EPFL.
Коллективное поведение — ключ к лучшим квантовым системам
Гексамер привел к квантовым эффектам с улучшенными свойствами. Например, авторы исследования наблюдали рост высокоэнергетических механических мод.
Их также называют темными модами, поскольку они не смешиваются с полостью системы и дают ценную информацию о потоках энергии внутри квантовой системы.
Авторы исследования также отметили более высокую скорость охлаждения , что имеет решающее значение для устранения нежелательных тепловых колебаний и поддержания стабильности квантовой системы.
Более того, «результаты исследования экспериментально подтверждают теории о коллективном квантовом поведении в механических системах и открывают новые возможности для изучения квантовых состояний», — добавили исследователи.
Такой подход может дать толчок развитию квантовых компьютеров и крупномасштабных квантовых систем, которые будут намного мощнее тех, что мы знаем сегодня.
Исследование опубликовано в журнале Science .
Прочитайте что такое взгляд в будущее