In un recente esperimento all'EPFL, un risonatore a microonde, un circuito che supporta segnali elettrici oscillanti ad una frequenza di risonanza, è accoppiato alle vibrazioni di un micro-tamburo metallico. Raffreddando attivamente il movimento meccanico vicino all'energia più bassa consentita dalla meccanica quantistica, il micro-tamburo può essere trasformato in un serbatoio quantico, un ambiente che può modellare gli stati delle microonde. I risultati sono pubblicati come pubblicazione avanzata in Fisica della natura .

László Dániel Tóth, Nathan Bernier, e il dottor Alexey Feofanov ha guidato lo sforzo di ricerca nel Laboratorio di fotonica e misure quantistiche di Tobias Kippenberg presso l'EPFL, con il supporto del dottor Andreas Nunnenkamp, un teorico dell'Università di Cambridge, UK.

Le microonde sono onde elettromagnetiche, proprio come la luce visibile, ma con una frequenza di quattro ordini di grandezza inferiore. Le microonde costituiscono la spina dorsale di diverse tecnologie quotidiane, dai forni a microonde e dai telefoni cellulari alla comunicazione satellitare, e hanno recentemente acquisito ulteriore importanza nella manipolazione delle informazioni quantistiche nei circuiti superconduttori, uno dei candidati più promettenti per realizzare futuri computer quantistici.

Il micro-tamburo, solo 30 micron di diametro, 100 nanometri di spessore e fabbricato nel Centro di MicroNanotecnologia (CMi) dell'EPFL, costituisce la piastra superiore di un condensatore in un risonatore a microonde superconduttore. La posizione del tamburo modula la frequenza di risonanza del risonatore e, al contrario, una tensione ai capi del condensatore esercita una forza sul microtamburo. Attraverso questa interazione bidirezionale, l'energia può essere scambiata tra le vibrazioni meccaniche e le oscillazioni delle microonde nel circuito superconduttore.

Nell'esperimento, il micro-tamburo viene prima raffreddato vicino al suo livello quantico di energia più basso da un tono a microonde opportunamente sintonizzato. Ogni fotone a microonde (un quanto di luce) porta via l'energia di un fonone (un quanto di movimento meccanico) in modo tale che l'energia meccanica è ridotta. Questo processo di raffreddamento aumenta la dissipazione e trasforma il micro-tamburo in un serbatoio dissipativo per il risonatore a microonde.

Accordando le interazioni tra la cavità e il microtamburo raffreddato, che ora è un ambiente per le microonde, la cavità può essere trasformata in un amplificatore a microonde. L'aspetto più interessante di questo processo di amplificazione è il rumore aggiunto, questo è, quanto casuale, fluttuazioni indesiderate vengono aggiunte al segnale amplificato.

Anche se controintuitivo, la meccanica quantistica impone che questo rumore aggiunto non possa essere soppresso completamente, anche in linea di principio. L'amplificatore realizzato nell'esperimento EPFL opera molto vicino a questo limite, quindi è il più "tranquillo" possibile. interessante, in un regime diverso, il micro-tamburo trasforma il risonatore a microonde in un maser (o laser a microonde).

"Negli ultimi anni la ricerca si è concentrata molto sull'introduzione di oscillatori meccanici nel regime quantistico". dice il dottor Alexey Feofanov, ricercatore post-dottorato sul progetto. "Però, il nostro esperimento è uno dei primi che mostra e sfrutta le loro capacità per le future tecnologie quantistiche".

Guardando avanti, questo esperimento consente nuovi fenomeni nei sistemi optomeccanici di cavità come l'instradamento silenzioso delle microonde o l'entanglement delle microonde. In genere, dimostra che gli oscillatori meccanici possono essere una risorsa utile nel campo in rapida crescita della scienza e dell'ingegneria quantistica.

Le attività future sulle possibilità di ricerca emergenti create da questo lavoro saranno supportate da due progetti CE Horizon 2020 avviati di recente:Hybrid Optomechanical Technologies (HOT) e Optomechanical Technologies (OMT), entrambi coordinati all'EPFL.