I ricercatori dell'Università del Colorado hanno recentemente sviluppato una nuova tecnica per misurare il movimento meccanico utilizzando processi di amplificazione e raffreddamento elettromeccanici simultanei. Il loro metodo, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , ha permesso loro di eseguire una misurazione quasi silenziosa della posizione di un oscillatore meccanico, che finora si è rivelato difficile utilizzare tecniche alternative per misurare il movimento.

"La nostra ricerca è nata per due motivi, "Robert Delaney, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Primo, stiamo usando questi sistemi meccanici per convertire in modo efficiente i segnali tra il dominio delle microonde e il dominio ottico. La conversione dei segnali tra queste due bande di frequenza disparate è importante per il collegamento in rete dei futuri computer quantistici, o per costruire l'equivalente di Internet quantistico."

Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno attualmente cercando di sviluppare oscillatori meccanici macroscopici in stati di movimento veramente quantistici, sia per applicazioni pratiche, come il rilevamento della forza, e test di meccanica quantistica su scala più ampia. In entrambi questi casi, sarà di cruciale importanza caratterizzare e misurare il moto degli oscillatori meccanici ai limiti imposti dalla meccanica quantistica.

Oltre a consentire la conversione dei segnali tra microonde e domini ottici, Delaney e i suoi colleghi volevano trovare un modo per misurare questo movimento oltre il limite quantistico. Per realizzare questo, hanno modificato una tecnica nota come misurazione dell'evasione dell'azione posteriore. La misurazione dell'evasione all'indietro è stata vista come una delle tecniche più promettenti per la misurazione del movimento in singola quadratura per diversi anni, eppure finora ha ottenuto risultati insoddisfacenti.

"Attraverso l'interazione dell'oscillatore meccanico con una cavità a microonde (o ottica), in linea di principio, la misurazione dell'evasione in controcorrente consente una misurazione silenziosa della posizione dell'oscillatore meccanico, "Robert Delaney, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In pratica, questo è stato difficile da implementare perché ulteriori interazioni tra il campo a microonde (o ottico) e l'oscillatore meccanico portano a instabilità nel movimento meccanico, che impedisce la misurazione continua."

Per superare i problemi associati a queste instabilità nel movimento meccanico, i ricercatori hanno modificato lo schema convenzionale di elusione di back-action, al fine di indurre intenzionalmente instabilità in un oscillatore meccanico. Questo alla fine ha permesso loro di raccogliere una misurazione pulsata del movimento dell'oscillatore.

"Applicando due pompe di frequenza a microonde al risonatore a microonde che sono depotenziate dalla frequenza di risonanza dell'oscillatore meccanico, possiamo migliorare l'interazione dell'oscillatore meccanico con il campo a microonde, "Spiegò Delaney. "Un tono di microonde è smorzato dal rosso, o al di sotto della frequenza di risonanza della cavità a microonde, mentre l'altro tono è intonato dal blu, o al di sopra della frequenza di risonanza della cavità."

La pompa rossa depotenziata utilizzata da Delaney e dai suoi colleghi raffredda l'oscillatore meccanico tramite il campo a microonde in un modo che ricorda il modo in cui le tecniche di raffreddamento laser raffreddano gli atomi. La pompa azzurra depotenziata, d'altra parte, amplifica il movimento dell'oscillatore meccanico aggiungendo continuamente energia dal campo a microonde all'oscillatore.

La pompa depotenziata blu è più grande di quella rossa. Quando combinati in modo da amplificare in rete, questi due processi distinti interferiscono e amplificano la posizione o il momento (cioè, a seconda della fase delle pompe) dell'oscillatore meccanico, quasi senza rumore. Le due componenti in quadratura utilizzate dai ricercatori per descrivere il movimento sono semplicemente versioni adimensionali della posizione e del momento dell'oscillatore meccanico.

"Il vantaggio principale di questa tecnica è che può misurare una singola quadratura di movimento quasi senza rumore, e quando si caratterizzano stati di moto quantici fragili, anche una piccola quantità di rumore aggiunto può oscurare lo stato di interesse, " ha detto Delaney. "Per caratterizzare completamente uno stato di moto quantistico è necessario eseguire la tomografia a stato quantistico, e la misurazione ideale per queste tecniche di ricostruzione dello stato è una misurazione in quadratura singola silenziosa."

Gli oscillatori meccanici sono utilizzati in diversi sottocampi della fisica, per esempio quando si conducono ricerche sulla meccanica quantistica su scale più grandi, rilevamento quantistico della forza limitata e informazione quantistica. La tecnica sviluppata da Delaney e dai suoi colleghi potrebbe quindi avere importanti implicazioni per una varietà di studi di fisica.

"In questo lavoro, abbiamo dimostrato una misurazione quasi silenziosa della posizione di un oscillatore meccanico, che è stato difficile da ottenere con tecniche utilizzate in precedenza come la misurazione dell'elusione dell'azione posteriore o l'amplificazione parametrica esterna, " ha detto Delaney. "Abbiamo anche dimostrato che l'amplificazione elettromeccanica transitoria può essere utilizzata per caratterizzare accuratamente uno stato di compressione quantistica, un prerequisito per l'utilizzo della spremitura per migliorare il rilevamento della forza."

Nel futuro, il metodo per misurare il movimento meccanico introdotto da questo team di ricercatori potrebbe aprire nuovi orizzonti per la ricerca in fisica e aprire la strada allo sviluppo di nuovi strumenti, comprese la tecnologia e le tecniche di rilevamento della forza per collegare i computer quantistici. Inoltre, il loro metodo potrebbe essere ideale per caratterizzare oscillatori meccanici preparati in stati quantistici ancora più esotici, come stati di sovrapposizione o stati di gatto, un obiettivo a lungo cercato nel campo della fisica.

"Ora siamo concentrati sull'utilizzo di sistemi elettromeccanici/optomeccanici per la conversione da microonde a ottica, " Ha detto Delaney. "Quando integrato con altri componenti di calcolo quantistico come i qubit superconduttori, possiamo usare questa tecnica per misurare il movimento dell'oscillatore meccanico in questo sistema per verificare che generiamo stati quantistici".

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