Мембрана для изучения квантовых колебаний
Новая экспериментальная методика позволяет выполнить более точные измерения микроскопических движений механических колебательных систем на квантовом уровне, что может найти потенциальное применение в технологиях обработки квантовой информации.
Исследователи из Колорадского университета в Боулдере (University of Colorado, Boulder), разработали новую методику для измерения параметров движения микроскопического механического осциллятора. Она сочетает электромеханическое усиление и «охлаждение» его колебаний путём сопряжения с индукционным колебательным контуром и подачи соответствующих «управляющих сигналов» с введением тем самым контролируемой неустойчивости механической системы. Эта методика представляет заметное усовершенствование точности измерений по сравнению с аналогичными разработками нескольких исследовательских групп последних лет. В статье, вышедшей в конце октября в Physical Review Letters, описываются результаты практически «бесшумного» измерения колебаний тонкой металлической мембраны. Это позволяет рассчитывать на расширение сферы применения микроскопических колебательных систем в современных высокоточных технологиях.
Измерение осцилляционных движений миниатюрных механических «маятников» самых разных конфигураций имеет большое значение для множества разделов физики, включая оптику, электромеханику, технологии квантовых датчиков и т. д. Однако точность этих измерений имеет фундаментальный нижний предел, связанный с неопределённостью измерения квантового состояния (принцип неопределённости Гейзенберга). Эта внутренне присущая всем квантовым объектам неопределённость называется «квантовым шумом».
Согласно принципу неопределённости мы не можем одновременно точно измерить пространственное положение квантовой частицы и её импульс (скорость), хотя по отдельности каждую из этих величин возможно, хотя бы теоретически, измерить с любой желательной точностью. Это связано с тем, что акт «измерения» физической характеристики, например положения или скорости микроскопического объекта сам по себе вносит в систему дополнительный «шум», сопоставимый с энергией объекта. Чтобы «увидеть» объект — электрон или ядро лёгкого атома (определить его положение), мы освещаем его, направляя на него свет (поток фотонов). Но на микроуровне импульс такого фотона достаточен, чтобы при соударении с микрочастицей существенно изменить её скорость, тем самым уничтожив информацию о её собственном импульсе до акта измерения. Мы можем «осветить» частицу пучком фотонов меньшей энергии, тем самым внеся меньше искажений в её скорость, но при этом проиграем в точности измерения положения (фотоны меньшей энергии имеют большую длину волны, которая и ограничивает точность определения пространственного положения). Аналогично устройства, измеряющие скорость микрочастицы, своим воздействием уничтожают информацию о её положении. Эта проблема связана с корпускулярно-волновым дуализмом микрообъектов: в зависимости от «условий» (то есть реализации акта «измерения») объект может вести себя как частица (фиксированная координата) или как волна (фиксированный импульс, но «размазанное» положение в пространстве).
Это одно из существенных отличий квантовой механики от интуитивно понятного ньютоновского мира, в котором «наблюдатель» (измерительное устройство) в идеале никак не влияет на объект наблюдения. Неустранимый эффект воздействия измерительного устройства на сам объект измерения стал существенным препятствием в развитии нанотехнологий по мере уменьшения размеров элементов микрочипов и повышения требований к точности. Экспериментальные разработки последних лет интенсивно развивают методы уменьшения воздействия инструмента (back-action evading techniques). Часто при этом используется сопряжение изучаемой системы с «управляющим устройством», например, электромагнитным колебательным контуром, работающим на других частотах. Это позволяет выполнять тонкую подстройку нашей системы с отбором или передачей ей дозируемых порций энергии и извлечением информации о нужных нам степенях свободы. Например, при этом можно, не нарушая принципа неопределённости, снять информацию об амплитуде колебаний квантового осциллятора, но оставить неопределённой его фазу.
Новая методика, которую разработали физики из Колорадского университета, позволяет добиться точности измерений за пределами указанного «квантового предела». При этом фундаментальное ограничение — принцип неопределённости Гейзенберга — не нарушается: координата и импульс осциллятора из тонкой металлической мембраны не измеряются одновременно. Разработанная методика сочетает электромеханическое усиление сигнала и так называемое «охлаждение методом боковой полосы», или «боковое охлаждение» (sideband cooling) — одна из методик, позволяющая зафиксировать квантовый осциллятор в его основном состоянии, так, как будто бы он находился в контакте с окружением с очень низкой температурой, при которой практически не происходит его перехода в возбуждённые состояния («охлаждение» осциллятора).
Схема экспериментальной установки и управляющие сигналы для измерения квантовых колебаний упругой мембраны. Из работы R. D. Delaney et al., Phys.Rev.Lett. 123, 183603 (2019).
В эксперименте измерялись колебания тонкой алюминиевой пластинки толщиной 15 микрон. Эта мембрана служит одной из пластин конденсатора, включённого в колебательный (индукционно-ёмкостный) LC-контур с собственной резонансной частотой 7,4 ГГц (микроволновой диапазон). Пластинка имеет свою собственную частоту механических колебаний 9,4 МГц, которые и составляют исследуемый гармонический квантовый осциллятор. Электромеханическая система охлаждается, размещаясь на контактной пластине рефрижератора растворения. Это позволяет выполнить первичную «заморозку» механического квантового осциллятора, ограничив его возбуждение примерно 40 нижними квантовыми уровнями. Существенным элементом системы является линия, передающая управляющие микроволновые импульсы с частотами немного ниже и немного выше полосы индукционно-ёмкостного контура (условно обозначенные на схеме красным и синим цветом по обеим сторонам от зелёной полосы колебательного контура). Эти импульсы с подобранными таким образом частотами обеспечивают тонкое управление механическим осциллятором (колеблющейся мембраной) с его «охлаждением» и «усилением» соответственно. В этом состоит принцип интенсивно разрабатываемой в последние несколько лет методики «бокового охлаждения», или «sideband cooling», позволяющей таким образом контролировать объекты на микроуровне при помощи управляющих воздействий, сопрягая изучаемую систему (механический осциллятор) с колебательным контуром в микроволновом диапазоне и определённым образом подбирая дополнительное воздействия в виде микроимпульсов немного в стороне его полосы. Физики использовали в эксперименте особое сочетание времён подачи управляющих импульсов. Так, экспериментальные последовательности, описанные в их работе, содержат три этапа управления: «охлаждение» (или «подготовка» осциллятора) с преобладанием «красного» сигнала, «усиление» с преобладанием «синего» сигнала и, наконец, этап «передачи энергии» от мембраны в LC-контур с подачей только «красного» сигнала, по параметрам которого и выполняется измерение одной из координат осциллятора. В результате «добавленный шум» (то есть неизбежный на квантовом уровне эффект от воздействия измерительного прибора) составил около 15% энергии собственных нулевых колебаний механической мембраны. Этот результат в 5-6 раз превосходит по точности аналогичные попытки последних лет других исследовательских групп, работающих с механическими колебательными системами вблизи квантового предела.
Колебательные механические системы сверхминиатюрных размеров широко используются в современных устройствах, например, в мобильных телефонах и квантовых датчиках. Они также важны в разрабатываемых технологиях квантовых вычислений и сетей. По своим характерным размерам и энергиям эти объекты подчиняются законам квантовой механики с её ограничениями «измеримости». Поэтому для дальнейшего развития этих технологий существенными становятся такие методы исследования, преодолевающие ограничения «квантового предела» измерений.
Источник: