科学者は巨視的な振動子の集団運動を実現し、量子側波帯の非対称性などのユニークな現象を観察します

量子技術は宇宙に対する私たちの理解に革命をもたらしており、有望な分野の 1 つに巨視的な機械振動子が含まれます。すでにクォーツ時計、携帯電話、通信用レーザーに不可欠な部品となっているこれらのデバイスは、量子の領域で変革的な役割を果たす可能性があります。量子スケールでは、巨視的発振器は超高感度センサーや量子コンピューティングの高度なコンポーネントを可能にし、複数の業界に画期的なイノベーションをもたらす可能性を秘めています。

機械振動子の制御を量子レベルで実現することは、これらの将来技術の実現に向けた重要なステップです。ただし、それらをまとめて管理するには、ほぼ同一のユニットと超高精度が必要となるため、大きな課題が生じます。

量子光学のほとんどの研究は単一発振器に焦点を当てており、基底状態の冷却や量子圧縮などの量子現象を実証しています。しかし、これは、多くの発振器が単一ユニットのように動作する集団的な量子の動作には当てはまりません。これらの集合的なダイナミクスは、より強力な量子システムを作成するための鍵となりますが、ほぼ同一の特性を持つ複数の発振器を非常に正確に制御する必要があります。

EPFL のトビアス キッペンバーグ率いる科学者たちは、長年の目標を達成しました。つまり、6 つの機械振動子を集合状態で準備することに成功し、それらの量子的挙動を観察し、振動子がグループとして動作する場合にのみ発生する現象を測定しました。 Science 誌に掲載されたこの研究は、量子技術の重要な前進を示し、大規模な量子システムへの扉を開きます。

「これは、超電導プラットフォームの機械的周波数間の無秩序度が0.1%という極めて低いことによって可能になります」と、この研究の筆頭著者であるMahdi Chegnizadeh氏は述べた。 「この精度により、発振器は独立したコンポーネントとしてではなく統合されたシステムとして動作する集合状態に入ることができます。」

量子効果を観察するために、科学者らはサイドバンド冷却を使用しました。これは、発振器のエネルギーを量子基底状態（量子力学で許容される最低エネルギー）に下げる技術です。

サイドバンド冷却は、発振器の固有周波数よりわずかに低い周波数のレーザーを発振器に照射することによって機能します。光のエネルギーは振動システムと相互作用し、振動システムからエネルギーを差し引きます。このプロセスは熱振動を低減し、系を静止に近づけるため、微妙な量子効果を観察するために重要です。

「マイクロ波空洞と発振器の間の結合を高めることによって、システムは個別のダイナミクスから集合的なダイナミクスに移行します。さらに興味深いことに、量子基底状態で集合モードを準備することによって、量子の集団運動の特徴である量子側波帯の非対称性が観察されました。通常、量子の運動は単一の物体に限定されますが、ここでは、量子の運動は発振器システム全体に及びます。」と研究の共著者であるマルコ・シグリウッツォは述べています。

研究者らはまた、より高い冷却速度と、「ダーク」機械モード、つまりシステムのキャビティと相互作用せず、より高いエネルギーを維持するモードの出現も観察しました。

これらの発見は、機械システムにおける集団量子挙動の理論の実験的確認を提供し、量子状態を探索するための新たな可能性を開きます。これらの発見は、機械システムにおける集団的な量子運動を制御する能力により、量子センシングや多者もつれが可能になる可能性があるため、将来の量子技術にも大きな影響を及ぼします。

/scitechdaily から編集