Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

In der mikroskopischen Welt verhalten sich die Gesetze der Physik anders als in unserem täglichen Leben. Eine der grundlegendsten Regeln ist, dass es eine Grenze dafür gibt, wie präzise wir den Zustand eines Objekts kennen können. Dies ist kein Fehler unserer Messwerkzeuge, sondern ein eingebautes Merkmal der Natur selbst, das oft als Quantenunsicherheit bezeichnet wird. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Position und die Geschwindigkeit eines winzigen Teilchens gleichzeitig zu messen; je präziser Sie das eine festlegen, desto unschärfer wird das andere. Diese Unsicherheit erzeugt ein Hintergrundrauschen oder ein Zittern, das selbst in einem perfekten Vakuum existiert, bekannt als Vakuumfluktuationen. Für Wissenschaftler, die versuchen, hochsensible Sensoren oder leistungsstarke Quantencomputer zu bauen, ist dieses Rauschen ein großes Hindernis. Um dies zu umgehen, nutzen Forscher eine Technik namens „Squeezing“ (Verquetschung). Anstatt zu versuchen, das Rauschen vollständig zu eliminieren, formen sie es um. Sie nehmen die Unsicherheit aus einer Eigenschaft, wie etwa der Position, und drücken sie in eine andere Eigenschaft, wie etwa den Impuls, die für die jeweilige Aufgabe weniger wichtig ist. Dies ermöglicht es ihnen, das Signal, nach dem sie suchen, viel deutlicher zu sehen, wodurch sie effektiv einen Materiezustand erschaffen, der leiser ist, als die Natur es normalerweise zulässt.

Jahrzehntelang war es unglaublich schwierig, eine solche Kontrolle über mechanische Objekte zu erreichen, insbesondere für alles, was größer als ein einzelnes Atom ist. Die meisten erfolgreichen Experimente erforderten das Einfrieren von Objekten auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und die Verwendung komplexer elektronischer Schaltkreise, um sie zu stabilisieren. Ein Team von Forschern der ETH Zürich hat jedoch einen Weg gefunden, die Bewegung eines winzigen, festen Objekts bei Raumtemperatur zu „squeezen“, ohne die Notwendigkeit extremer Kälte. Sie arbeiteten mit einem einzelnen Nanopartikel, einem Cluster aus Siliziumdioxid-Kugeln mit einem Durchmesser von etwa einhundertzwanzig Nanometern, was etwa tausendmal dünner als ein menschliches Haar ist. Dieses Partikel war nicht an einer Oberfläche festgemacht oder befestigt; stattdessen wurde es durch einen Laserstrahl in der Schwebe gehalten, eine Technik, die als optische Levitation bekannt ist. Indem die Forscher das Partikel in einer Vakuumkammer einfingen und seine Bewegung mit demselben Laserlicht kühlten, brachten sie die Rotationsbewegung oder Libration des Partikels in seinen niedrigstmöglichen Energiezustand, den sogenannten Quantengrundzustand.

Der Durchbruch gelang, als die Wissenschaftler beschlossen, die Regeln der Falle, die das Partikel hält, zu ändern. Normalerweise erzeugt das Laserlicht eine stabile, schüsselförmige Gestalt, die das Partikel im Zentrum hält. Wenn sich das Partikel vom Zentrum entfernt, drückt das Licht es zurück, ähnlich wie eine Murmel, die am Boden einer Schüssel liegt. Die Forscher wollten jedoch etwas anderes tun. Sie änderten die Ausrichtung der Polarisation des Lasers sehr schnell und drehten damit effektiv die Schüssel auf den Kopf. In dieser neuen, invertierten Form ist das Zentrum kein sicherer Ruheplatz mehr, sondern ein prekärer Gipfel. Wenn man eine Murmel auf die Spitze eines Hügels legt, wird selbst der kleinste Stoß dazu führen, dass sie wegrollt, und je weiter sie rollt, desto schneller beschleunigt sie. Dies war das, was die Forsches für ihr Nanopartikel erschaffen haben: ein invertiertes Potenzial, in dem das Partikel auf einem Gipfel der Instabilität thront.

Als das Partikel in dieses invertierte Potenzial versetzt wurde, begann seine Bewegung sich dramatisch und vorhersehbar zu verändern. Anstatt sanft hin und her zu wackeln, begannen die Fluktuationen in seiner Position und Geschwindigkeit exponentiell zuzunehmen. Ein Aspekt seiner Bewegung wurde gestreckt und verstärkt, während der senkrechte Aspekt komprimiert und „gesqueezed“ wurde. Dieser Prozess geschah mit unglaublicher Geschwindigkeit. Innerhalb von nur zweihundertfünfzig Nanosekunden – eine Zeitspanne, die so kurz ist, dass sie weniger als ein Fünftel eines einzigen Oszillationszyklus beträgt – hatten die Forscher die Bewegung des Partikels um elf Dezibel unter das Niveau der Vakuumfluktuationen gesqueezed. Dies ist eine signifikante Reduktion des Rauschens, was bedeutet, dass sich das Partikel in einem Bewegungszustand befand, der weitaus präziser war, als es normalerweise möglich ist. Das Experiment zeigte, dass sie durch die Verwendung dieses invertierten Potenzials das Quanten-Squeezing viel schneller erzeugen konnten, als die Umgebung den empfindlichen Quantenzustand normalerweise zerstören würde.

Das Team beobachtete auch, wie lange ein solcher gesqueezter Zustand überleben konnte. Sobald das Partikel in eine stabile Falle zurückgeführt wurde, begann der gesqueezte Zustand zu verblassen und kehrte nach etwa dreißig Oszillationsperioden in einen normalen, verrauschten Zustand zurück. Die Forscher stellten fest, dass dieser Zerfall durch das Licht selbst verursacht wurde, das zur Kühlung und Messung des Partikels verwendet wurde, da dieses eine kleine Menge an zufälligem Rauschen einführte. Sie berechneten, dass der gesqueezte Zustand etwa zweihundertvierzig Oszillationsperioden lang anhalten könnte, wenn sie diese spezifische Rauschquelle entfernen könnten, was fast zehnmal länger ist als das, was sie beobachtet hatten. Dies deutet darauf hin, dass die aktuelle Einschränkung kein fundamentales Naturgesetz ist, sondern eine technische Hürde, die durch besseres experimentelles Design überwunden werden kann.

Diese Arbeit ist bedeutend, weil sie einen neuen Weg aufzeigt, das Quantenverhalten massiver Objekte ohne die Notwendigkeit einer kryogenen Kühlung zu kontrollieren. Frühere Methoden zur Erzielung eines solch starken Squeezings basierten auf komplexen elektronischen Aufbauten in gefrorenen Umgebungen. Durch die Verwendung von Licht, um ein instabiles Potenzial zu erzeugen, zeigten die Forscher, dass Quantenkontrolle bei Raumtemperatur möglich ist. Die Fähigkeit, diese gesqueezten Zustände so schnell und bei Raumtemperatur zu erzeugen, öffnet die Tür für neue Arten von Sensoren, die in der Lage sind, unglaublich schwache Kräfte oder Teilchen zu detektieren. Es bietet zudem eine Plattform für das Testen der Grenzen der Quantenmechanik und ermöglicht es Wissenschaftlern zu sehen, wie groß ein Objekt sein kann, während es sich immer noch nach den Regeln der Quantenphysik verhält. Das Experiment beweist, dass Forscher durch die Manipulation der Form der Energielandschaft die Erzeugung von Quantenzuständen beschleunigen können, was ein leistungsstarkes neues Werkzeug für die Zukunft der Quantensensorik und Metrologie darstellt.