Urządzenie pomostowe łączy obwody kwantowe i urządzenia mechaniczne
Optomechanika to dziedzina fizyki, która umożliwia wykrywanie i kontrolowanie ustawienia rezonatorów mechanicznych lub oscylatorów na poziomie kwantowym przy pomocy mikrofal. W praktyce oznacza to, że naukowcy mogą zarówno „słyszeć” fluktuacje kwantowe, jak i programować stany kwantowe. „To otwiera przed nami zupełnie nowe możliwości badania nieznanych terytoriów – kwantowej superpozycji »ciężkich« obiektów. Zjawisko superpozycji, w przypadku którego występuje połączenie kilku stanów kwantowych, jest doskonale znane w przypadku »lekkich« obiektów, takich jak atomy, fotony czy pojedyncze elektrony. Dotychczas nie udało się go jednak zaobserwować w przypadku cięższych obiektów ze świata fizyki klasycznej”, wyjaśnia Gary Steele, koordynator projektu QOM3D, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. Projekt „odwróconego” układu membranowego oscylatora, opracowany w ramach projektu QOM3D, który pozwala na badanie oddziaływań grawitacyjnych, osiągnął wskaźnik dobroci na niezwykle wysokim poziomie 60 milionów. Zespół opracował również nowe techniki wykorzystania nadprzewodzących kubitów – bitów kwantowych – do chłodzenia i tworzenia stanów kwantowych o częstotliwości radiowej.
Ruchy Browna
Jak wiemy z praw rządzących ruchami Browna dla energii cieplnej, nasz świat jest gorący. W związku z tym wszystkie przedmioty, w tym obiekty mechaniczne, nieustannie drżą w miarę odbijania się od nich cząsteczek powietrza. Ruchy te można wykrywać przy pomocy niezwykle czułych narzędzi optomechanicznych, nawet jeśli dany obiekt zostanie schłodzony do temperatury dziesięciu tysięcznych stopnia powyżej zera absolutnego (0 °K, -273,16 °C), czyli tak zwanego stanu podstawowego. Zgodnie z zasadami fizyki klasycznej, ruchy Browna nie występują w temperaturze 0 °K. Jedno z przewidywań, na których opiera się mechanika kwantowa, zakłada jednak, że nawet po osiągnięciu zera absolutnego obiekty nadal wpadają w drgania ze względu na szum kwantowy. Jednym z celów projektu QOM3D było udowodnienie tej hipotezy.
Wypełnianie luki częstotliwości
Oscylatory opracowane przez naukowców przypominały niewielkie mechaniczne bębenki, wykorzystujące mocno naciągniętą membranę. Na bęben nakładano warstwę metalu, która następnie była odwracana na drugi układ scalony. Dzięki umieszczeniu w specjalnym urządzeniu nazywanym wnęką rezonansową, nadprzewodzący układ rezonansowy LC może być sprzężony z drganiami mechanicznymi bębenka, co pozwala wnęce na wychwytywanie sygnałów mikrofalowych emitowanych przez obwód. Takie sprzężenie umożliwia badaczom wykorzystanie sygnałów mikrofalowych do wykrywania drgań bębenka i sterowania nimi na poziomie kwantowym. Aby skutecznie kontrolować stany kwantowe, badacze projektu QOM3D prowadzili eksperymenty z technologią kubitów nadprzewodzących, opracowaną na potrzeby komputerów kwantowych. „Nasz nowatorski projekt w niczym nie przypominał zwykłych kubitów, ale udało nam się dzięki niemu uzyskać wyjątkowe rezultaty”, dodaje Steele. Zanim naukowcom uda się skutecznie sterować urządzeniem mechanicznym na poziomie kwantowym, konieczne jest rozwiązanie jednego problemu – zjawiska znanego jako „luka częstotliwości”. Ze względu na fakt, że kubity działają w elektromagnetycznych częstotliwościach gigahercowych (GHz), natomiast mechaniczny bębenek wykorzystuje częstotliwości megahercowe (MHz), konieczne jest stworzenie mostka, który umożliwi ich sprzężenie. Zespół eksperymentował ze sprzężeniem gigahercowych kubitów z obwodami elektrycznymi, które działały na częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości bębenków. Udało im się zaobserwować fluktuacje kwantowe przy częstotliwościach megahercowych, byli także w stanie chłodzić sygnały megahercowe do stanu podstawowego i programować stany superpozycji kwantowej w oscylatorach megahercowych, tym samym dowodząc istnienia szumu kwantowego. „Nasze urządzenie dowodzące słuszności koncepcji oferuje silne sprzężenie kubitów z urządzeniami elektrycznymi działającymi w częstotliwościach megahercowych, co stanowi obiecujące osiągnięcie na drodze do sprzęgania obwodów kwantowych z urządzeniami mechanicznymi w przyszłości”, zauważa Steele. „To może okazać się przełomem w wielu dziedzinach, w tym w dziedzinie magnetycznego rezonansu jądrowego, obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, a także wyjątkowo czułych czujników kwantowych, które pozwolą nam między innymi na pomiar kwantowych pól grawitacyjnych”. To ostatnie zastosowanie może pozwolić nam na zbadanie jednego z problemów podstawowych, które uniemożliwiają nam pełne zrozumienie praw rządzących naturą – niezgodności mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności Einsteina, która opisuje grawitację.
Słowa kluczowe
QOM3D, kwantowe, rezonator mechaniczny, oscylator, superpozycja, grawitacja, układ scalony, ruch Browna, optomechanika, mikrofale