Takaisinkytkentää kvanttijärjestelmiin

Taiteellinen visualisointi hybridistä atomioptomekaanisesta järjestelmästä. Kylmien rubidium- (Rb) atomien pilven spin ohjaa mikromekaanisen kalvon (sininen kalvo) liikettä koherentilla optisella kytkennällä (harmaa nuoli).

Nykyaikaisia elektronisia ja fotonisia tekniikoita suunnitellaan yhä enemmän kvanttijärjestelmässä, jossa klassiset kuvaukset romahtavat.

Hyödyntääkseen näitä kvanttimittakaavaisia teknologioita tutkijat etsivät tapoja rakentaa takaisinkytkentäiset ohjausmenettelyt, joita käytetään eri tekniikoiden automatisoinnissa itseajavista autoista mukautuviin sydämentahdistimiin.

Klassisissa palauteohjausalgoritmeissa päätökset järjestelmän ohjaamisesta perustuvat järjestelmän käyttäytymiseen tehtäviin mittauksiin. Kvanttimaailmassa nämä mittaukset voivat kuitenkin lisätä järjestelmään kohinaa, mikä tekee ohjaussilmukasta epätarkan.

Nyt tutkijat Baselin yliopistosta Sveitsistä raportoivat koherentin takaisinkytkennän eli palauteohjauksen käyttöönotosta, joka lupaa poistaa mittausten tarpeen. Menetelmää voitaisiin siten mahdollisesti soveltaa kvanttiteknologioihin ilman haittavaikutuksia.

Arkimaailmassamme on mahdollista tehdä mielivaltaisen tarkkuuden mittauksia fyysiselle laitteelle häiritsemättä laitteen toimintaa. Mittaussignaali käsitellään ohjaimella, joka antaa palautetta, joka ohjaa järjestelmän käyttäytymistä kohti haluttua tavoitetta.

Kvantti- tai koherentit takaisinkytkennän ohjausmenetelmät voivat ylittää perinteisten klassisten vastaavien suorituskykyrajat. Mutta kvanttimaailmassa järjestelmän mittaaminen häiritsee tyypillisesti järjestelmää. Tutkijat selvittivät, voivatko he luoda ohjaimen, joka on itse kvantti ja korvata klassiset mittaukset ja takaisinkytkennän vaiheet johdonmukaisella vuorovaikutuksella järjestelmän ja ohjaimen välillä.

Yksi sarja järjestelmiä, joissa he haluavat soveltaa tätä koherenttia takaisinkytkentä menetelmää, ovat optomekaaniset laitteet, joissa mekaaninen oskillaattori kytkeytyy koherentisti sähkömagneettiseen kenttään. Vaikka näille laitteille on olemassa täysin optisia ohjausmenetelmiä, ne eivät ole tehokkaita monissa optomekaanisissa järjestelmissä - etenkään niissä, joissa on suhteellisen alhaiset värähtelytaajuudet.

Vuonna 2010 tutkijat ehdottivat, että ultrakylmien atomien liike voisi toimia säätimenä tällaiselle menetelmälle. Tärkeää on, että järjestelmä salli atomien ja oskillaattorin avaruudellisen erottamisen, mikä on ratkaiseva vaatimus modulaarisille kvanttiteknologioille, joissa järjestelmän komponentit voidaan sijoittaa eri huoneisiin tai jopa kaupunkeihin – tarpeen mukaan esimerkiksi kvantti-internetille.

Nyt, vuosikymmenen parantamisen jälkeen, Philipp Treutleinin johtama Baselin yliopiston tiimi on saavuttanut todella yhtenäisen hybridiatomi-optomekaanisen järjestelmän takaisinkytkentäohjauksen.

Heidän mikromekaaninen laite on ohutkalvo, jossa on reikäkuvio, joka vaimentaa sen värähtelyjä. Ohjain on noin 10 ⁷ rubidiumatomin pilvi optisessa ansassa. Vapausasteena Treutlein ja hänen kollegansa käyttävät atomien nettospiniä.

Demonstraatiossa lasersäde välitti vuorovaikutusta järjestelmän ja ohjaimen välillä. Pienet vaihtelut atomien nettospinissä moduloivat laservalon amplitudia sen kulkiessa atomien läpi. Moduloitu valo heijastui sitten pois kalvolta, jolloin se sai paikasta riippuvan vaihesiirron ja työntyi samanaikaisesti kalvoa vasten säteilypaineella.

Lopuksi heijastunut valo oli jälleen vuorovaikutuksessa atomien kanssa ja kohdistaen vaiheisiin riippuvaisen vääntömomentin niiden spineihin. Tämän kytkentäkaavion ansiosta Rb-atomit pystyivät ohjaamaan peilin liikettä kahdeksalla suuruusluokalla massaerosta huolimatta.