Akhir Zaman Es Kuantum: Perdamaian

Konsep seni perangkat kontrol, yang terdiri dari drum nanopillar yang diapit oleh dua cermin yang disegmentasi secara berkala, memungkinkan sinar laser berinteraksi secara kuat dengan kuantum drum pada suhu kamar. Kredit: EPFL & Studio Second Bay

Para peneliti EPFL telah mencapai tonggak sejarah dalam mekanika kuantum dengan mengendalikan fenomena kuantum pada suhu kamar, mengatasi hambatan lama akan kebutuhan akan suhu dingin ekstrem. Hal ini membuka kemungkinan baru untuk penerapan teknologi kuantum dan studi sistem kuantum makroskopis.

Dalam bidang mekanika kuantum, kemampuan untuk mengamati dan mengendalikan fenomena kuantum pada suhu kamar telah lama sulit dipahami, terutama pada skala besar atau “makroskopis”. Secara tradisional, pengamatan semacam itu terbatas pada lingkungan yang mendekati nol mutlak, di mana efek kuantum lebih mudah dideteksi. Namun, persyaratan suhu dingin ekstrem telah menjadi kendala utama yang membatasi penerapan praktis teknologi kuantum.

Studi Perintis di EPFL

Kini, penelitian yang dipimpin oleh Tobias J. Kippenberg dan Nils Johan Engelsen dari EPFL mendefinisikan ulang batasan dari apa yang mungkin terjadi. Pekerjaan perintis menyatukan fisika kuantum dan teknik untuk mencapai pengendalian fenomena kuantum pada suhu kamar.

“Mencapai rezim optomekanik kuantum pada suhu ruangan telah menjadi tantangan terbuka selama beberapa dekade,” kata Kippenberg. “Pekerjaan kami secara efektif merealisasikan mikroskop Heisenberg – yang selama ini dianggap hanya sebagai model mainan teoretis.”

Dalam pengaturan eksperimental mereka, yang diterbitkan hari ini (14 Februari) di Alampara peneliti telah menciptakan sistem optomekanis dengan kebisingan sangat rendah—suatu pengaturan yang menggabungkan cahaya dan gerakan mekanis, memungkinkan mereka mempelajari dan memanipulasi bagaimana cahaya memengaruhi objek bergerak dengan presisi tinggi.

Rongga seperti kristal dicerminkan dengan drum di tengahnya. Kredit: Guanhao Huang/EPFL

Masalah utama pada suhu kamar adalah kebisingan termal, yang mengganggu dinamika kuantum yang rumit. Untuk meminimalkan hal ini, para peneliti menggunakan cermin rongga, yaitu cermin khusus yang memantulkan cahaya bolak-balik di dalam ruang terbatas (rongga), secara efektif “menangkapnya” dan meningkatkan interaksinya dengan elemen mekanis dalam sistem. Untuk mengurangi kebisingan termal, cermin dipola dengan struktur seperti kristal periodik (“kristal fonik”).

Pengaturan eksperimental yang inovatif

Komponen penting lainnya adalah perangkat drum 4mm yang disebut osilator mekanis yang berinteraksi dengan cahaya di dalam rongga. Ukuran dan desainnya yang relatif besar merupakan kunci isolasinya dari kebisingan sekitar, sehingga memungkinkan pendeteksian fenomena kuantum halus pada suhu kamar. “Drum yang kami gunakan dalam percobaan ini adalah puncak dari upaya bertahun-tahun untuk menciptakan osilator mekanis yang terisolasi dengan baik dari lingkungan,” kata Engelsen.

“Teknik yang kami gunakan untuk mengatasi sumber kebisingan yang sangat kompleks sangatlah penting dan mempunyai implikasi bagi komunitas penginderaan dan pengukuran presisi yang lebih luas,” kata Guanhao Huang, salah satu dari dua mahasiswa PhD yang memimpin proyek tersebut.

Pengaturan ini memungkinkan para peneliti untuk mencapai “kompresi optik”, sebuah fenomena kuantum di mana sifat-sifat cahaya tertentu, seperti intensitas atau fase, dimanipulasi untuk mengurangi fluktuasi dalam satu variabel dengan mengorbankan peningkatan fluktuasi pada variabel lain, seperti yang didiktekan oleh Heisenberg. prinsip.

Dengan mendemonstrasikan pemerasan optik pada suhu kamar di sistem mereka, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat secara efektif mengontrol dan mengamati fenomena kuantum dalam sistem makroskopis tanpa memerlukan suhu yang sangat rendah. Awal dari formulir

Tim percaya bahwa kemampuan untuk mengoperasikan sistem pada suhu kamar akan memperluas akses ke sistem optomekanis kuantum, yang merupakan tempat pengujian untuk pengukuran kuantum dan mekanika kuantum pada skala makroskopis.

“Sistem yang kami kembangkan dapat memfasilitasi sistem kuantum hibrid baru di mana drum mekanis berinteraksi secara kuat dengan berbagai objek, seperti awan atom yang terperangkap,” tambah Alberto Beccari, mahasiswa PhD lainnya yang memimpin penelitian ini. “Sistem ini berguna untuk informasi kuantum dan membantu kita memahami cara menciptakan keadaan kuantum yang besar dan kompleks.”

Referensi: “Optomekanik kuantum suhu ruangan menggunakan rongga kebisingan sangat rendah” oleh Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen, dan Tobias J. Kippenberg, 14 Februari 2024, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06997-3