Auf Quantenebene bewegen sich makroskopische Oszillatoren als Einheit
Die Quantentechnologien sind dabei, unser Verständnis des Universums radikal zu verändern. Eine dieser neuen Technologien sind makroskopische mechanische Oszillatoren, die in Quarzuhren, Mobiltelefonen und Lasern für die Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen. Im Quantenbereich könnten makroskopische Oszillatoren ultraempfindliche Sensoren und Komponenten für die Quanteninformatik ermöglichen, was neue Möglichkeiten für Innovationen in verschiedenen Branchen eröffnet.
Die Steuerung mechanischer Oszillatoren auf Quantenebene ist für die Entwicklung künftiger Technologien im Bereich der Quanteninformatik und der ultrapräzisen Sensorik unerlässlich. Ihre kollektive Steuerung ist jedoch eine Herausforderung, da sie nahezu perfekte, d. h. identische Einheiten erfordert.
Die meisten Forschungsarbeiten im Bereich der Quantenoptomechanik haben sich auf einzelne Oszillatoren konzentriert und Quantenphänomene wie die Abkühlung des Grundzustands und das Quanten-Squeezing demonstriert. Dies gilt jedoch nicht für kollektives Quantenverhalten, bei dem viele Oszillatoren wie ein einziger wirken. Obwohl diese kollektive Dynamik der Schlüssel zur Schaffung leistungsfähigerer Quantensysteme ist, erfordert sie eine aussergewöhnlich präzise Kontrolle über mehrere Oszillatoren mit nahezu identischen Eigenschaften.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern um Tobias Kippenberg von der EPFL haben nun das lang ersehnte Ziel erreicht: Sie haben sechs mechanische Oszillatoren erfolgreich in einen kollektiven Zustand versetzt, ihr Quantenverhalten beobachtet und Phänomene gemessen, die nur auftreten, wenn Oszillatoren als Gruppe agieren. Die in der Zeitschrift Science veröffentlichten Forschungsergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt für die Quantentechnologien dar und öffnen die Tür zu Quantensystemen im grossen Massstab.
«Dies wird durch die extrem geringe Unordnung zwischen den mechanischen Frequenzen in einer supraleitenden Plattform ermöglicht, die nur 0,1 % beträgt», sagt Mahdi Chegnizadeh, der Erstautor der Studie. «Diese Präzision ermöglichte es den Oszillatoren, in einen kollektiven Zustand einzutreten, in dem sie sich als ein einheitliches System und nicht als unabhängige Komponenten verhalten.»
Um die Beobachtung von Quanteneffekten zu ermöglichen, setzten die Forschenden die Seitenbandkühlung ein, eine Technik, die die Energie von Oszillatoren auf ihren Quantengrundzustand reduziert – die niedrigste Energie, die die Quantenmechanik erlaubt.
Bei der Seitenbandkühlung wird ein Oszillator mit einem Laser bestrahlt, dessen Licht etwas unterhalb der Eigenfrequenz des Oszillators eingestellt ist. Die Energie des Lichts interagiert mit dem schwingenden System auf eine Weise, die ihm Energie entzieht. Dieser Vorgang ist für die Beobachtung empfindlicher Quanteneffekte von entscheidender Bedeutung, da er die thermischen Schwingungen reduziert und das System nahezu zum Stillstand bringt.
Indem wir die Kopplung zwischen dem Mikrowellenresonator und den Oszillatoren erhöhen, geht das System von einer individuellen zu einer kollektiven Dynamik über: «Interessanterweise haben wir, indem wir den kollektiven Modus in seinem Quantengrundzustand präpariert haben, eine Quantenseitenband-Asymmetrie beobachtet, die das Markenzeichen der kollektiven Quantenbewegung ist. Normalerweise ist die Quantenbewegung auf ein einzelnes Objekt beschränkt, aber hier erstreckte sie sich über das gesamte System von Oszillatoren», sagt Marco Scigliuzzo, ein Mitautor der Studie.
Die Forschenden beobachteten auch erhöhte Abkühlungsraten und das Auftreten «dunkler» mechanischer Moden, d. h. Moden, die nicht mit dem Hohlraum des Systems wechselwirken und eine höhere Energie beibehalten.
Die Ergebnisse bestätigen experimentell die Theorien über kollektives Quantenverhalten in mechanischen Systemen und eröffnen neue Möglichkeiten zur Erforschung von Quantenzuständen. Sie haben auch wichtige Auswirkungen auf die Zukunft der Quantentechnologien, da die Fähigkeit, kollektive Quantenbewegungen in mechanischen Systemen zu kontrollieren, zu Fortschritten bei der Quantenerfassung und der Erzeugung von Mehrteilchenverschränkung führen könnte.
Alle Bauelemente wurden im Center of MicroNanoTechnology (CMi) der EPFL hergestellt.
