Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

In de microscopische wereld gedragen de regels van de fysica zich anders dan in ons dagelijks leven. Een van de meest fundamentele regels is dat er een limiet is aan hoe precies we de toestand van een object kunnen kennen. Dit is geen gebrek aan onze meetinstrumenten, maar een ingebouwde eigenschap van de natuur zelf, vaak kwantumonzekerheid genoemd. Stel je voor dat je tegelijkertijd de positie en de snelheid van een minuscuul deeltje probeert te meten; hoe nauwkeuriger je de één vastlegt, hoe vager de ander wordt. Deze onzekerheid creëert een achtergrond van "ruis" of trillingen die zelfs in een perfect vacuüm bestaat, bekend als vacuümfluctuaties. Voor wetenschappers die proberen ultra-gevoelige sensoren of krachtige kwantumcomputers te bouwen, is deze ruis een grote hindernis. Om dit te omzeilen, gebruiken onderzoekers een techniek genaamd 'squeezing' (samendrukken). In plaats van te proberen de ruis volledig te elimineren, hervormen ze deze. Ze nemen de onzekerheid van één eigenschap, zoals positie, en duwen deze naar een andere eigenschap, zoals impuls, die minder belangrijk is voor de taak die voorhanden is. Dit stelt hen in staat om het signaal dat ze zoeken veel duidelijker te zien, waardoor ze effectief een staat van materie creëren die stiller is dan de natuur gewoonlijk toestaat.

Decennialang was het bereiken van een dergelijke controle over mechanische objecten ongelooflijk moeilijk, vooral voor alles dat groter is dan een enkel atoom. De meeste succesvolle experimenten vereisten het bevriezen van objecten tot temperaturen nabij het absolute nulpunt en het gebruik van complexe elektronische circuits om ze te stabiliseren. Echter, een team van onderzoekers aan de ETH Zürich heeft een manier gevonden om de beweging van een klein, vast object samen te drukken bij kamertemperatuur, zonder de noodzaak van extreme kou. Ze werkten met een enkel nanopartikel, een cluster van silica-bolletjes met een diameter van ongeveer honderdvertig nanometer, wat ongeveer duizend keer dunner is dan een menselijk haar. Dit deeltje was niet vastgelijmd of verbonden met een oppervlak; in plaats daarvan werd het in de lucht gehouden door een laserstraal, een techniek die optische levitatie wordt genoemd. Door het deeltje in een vacuümkamer te vangen en de beweging ervan te koelen met dezelfde laserstraal, brachten de onderzoekers de draaiende beweging, of libratie, van het deeltje terug naar zijn laagst mogelijke energietoestand, bekend als de kwantumgrondtoestand.

De doorbraak kwam toen de wetenschappers besloten de regels van de val die het deeltje vasthield te veranderen. Normaal gesproken creëert het laserlicht een stabiele, komvormige vorm die het deeltje in het midden houdt. Als het deeltje uit het midden beweegt, duwt het licht het terug, vergelijkbaar met een knikker die onderin een kom ligt. De onderzoekers wilden echter iets anders doen. Ze veranderden razendsnel de oriëntatie van de polarisatie van de laser, waardoor ze de kom effectief op zijn kop zetten. In deze nieuwe, geïnverteerde vorm is het centrum niet langer een veilige rustplaats, maar een precaire piek. Als je een knikker op de top van een heuvel plaatst, zal zelfs de kleinste duw ervoor zorgen dat de knikker wegrolt, en hoe verder hij rolt, hoe sneller hij versnelt. Dit is wat de onderzoekers voor hun nanopartikel creëerden: een geïnverteerd potentiaal waarbij het deeltje op een piek van instabiliteit balanceert.

Toen het deeltje in dit geïnverteerde potentiaal werd geplaatst, begon de beweging op een dramatische en voorspelbare manier te veranderen. In plaats van zachtjes heen en weer te wiegen, begonnen de fluctuaties in de positie en snelheid exponentieel toe te nemen. Eén aspect van de beweging werd uitgerekt en versterkt, terwijl het loodrechte aspect werd samengedrukt en samengeperst. Dit proces gebeurde met ongelooflijke snelheid. Binnen slechts tweehonderdvijftig nanoseconden — een tijd die zo kort is dat het minder dan een vijfde van één oscillatiecyclus is — hadden de onderzoekers de beweging van het deeltje met elf decibel samengedrukt onder het niveau van de vacuümfluctuaties. Dit is een significante reductie van de ruis, wat betekent dat het deeltje zich in een bewegingstoestand bevond die veel preciezer was dan normaal mogelijk is. Het experiment toonde aan dat door dit geïnverteerde potentiaal te gebruiken, zij de kwantum-squeezing veel sneller konden genereren dan de snelheid waarmee de omgeving de delicate kwantumtoestand normaal gesproken zou vernietigen.

Het team observeerde ook hoe lang een dergelijke samengedrukte toestand kon overleven. Zodra het deeltje werd teruggebracht naar een stabiele val, begon de samengedrukte toestand te vervagen en keerde uiteindelijk na ongeveer dertig oscillatieperioden terug naar een normale, ruisige toestand. De onderzoekers stelden vast dat dit verval werd veroorzaakt door het licht dat werd gebruikt om het deeltje te koelen en te meten, wat een kleine hoeveelheid willekeurige ruis introduceerde. Ze berekenden dat als ze deze specifieke bron van ruis zouden verwijderen, de samengedrukte toestand ongeveer tweehonderdvijftig oscillatieperioden zou kunnen voortduren, bijna tien keer langer dan wat zij hadden waargenomen. Dit suggereert dat de huidige beperking geen fundamentele natuurwet is, maar eerder een technische hindernis die overwonnen kan worden met een beter experimenteel ontwerp.

Dit werk is belangrijk omdat het een nieuwe manier demonstreert om de kwantumgedragingen van massieve objecten te controleren zonder de noodzaak van cryogene koeling. Eerdere methoden voor het bereiken van een dergelijke sterke squeezing vertrouwden op complexe elektronische opstellingen in een ijskoude omgeving. Door licht te gebruiken om een onstabiel potentiaal te creëren, lieten de onderzoekers zien dat kwantumcontrole bij kamertemperatuur mogelijk is. Het vermogen om deze samengedrukte toestanden zo snel en bij kamertemperatuur te genereren, opent de deur naar nieuwe soorten sensoren die ongelooflijk zwakke krachten of deeltjes kunnen detecteren. Het biedt ook een platform voor het testen van de grenzen van de kwantummechanica, waardoor wetenschappers kunnen zien hoe groot een object kan zijn terwijl het nog steeds volgens kwantumregels handelt. Het experiment bewijst dat door het manipuleren van de vorm van het energielandschap, onderzoekers de generatie van kwantumtoestanden kunnen versnellen, wat een krachtig nieuw instrument biedt voor de toekomst van kwantummetrologie en kwantumsensoren.