Takaisin kvanttitulevaisuuteen

Soveltavan fysiikan professori Peter Rakich herättää henkiin 1800-luvun tutkimusinstrumentin viedäkseen kvanttiteknologiaa eteenpäin

Tämä Fabry-Perot-resonaattorina tunnettu laite keksittiin ranskalaisten fyysikkojen Charles Fabryn ja Alfred Perotin toimesta, ja se on välttämätön optisissa kelloissa, kvanttiteknologioissa ja muissa sovelluksissa.

Aikoinaan sitä käytettiin ensin erittäin pienten etäisyyksien mittaamiseen mutta se auttoi myös kuromaan umpeen fysiikan ja tähtitieteen välistä kuilua, mittaamaan kuun, tähtien ja auringon lähettämää energiaa ja tunnistamaan otsonikerroksen.

Nyt Rakich ja hänen laboratorionsa käyttivät samaa laitetta saavuttaakseen uuden läpimurron. He kehittivät lasereita jäähdyttämään massiivisten kappaleiden sisällä olevia fononeja – eli äänihiukkasia – niiden kvanttiperustilaan, joka on kvanttimekaniikan alhaisin mahdollinen energia.

”Olemme kehittäneet hyvin erilaisen bulkkiakustisen resonaattorin, joka mahdollistaa pääsyn erittäin korkeataajuisiin fononeihin valon avulla”, Rakich sanoo. He paransivat valon ja massiivisten fononien välistä vuorovaikutusta optisen Fabry-Perot-resonaattorin avulla.

Rakich huomauttaa, että kvanttimaailmassa "bulkki" on suhteellinen termi. Tässä tapauksessa se tarkoittaa 10 mikrogrammaa materiaalia akustisen aallon liikkeessä tai esinettä, joka on hieman hiekanjyvää pienempi. Atomitasolla tämä kuitenkin vastaa valtavaa määrää atomeja (100 kvadriljoonaa), jotka liikkuvat kvanttikoherenssilla tavalla.

Tämä on merkittävä edistysaskel – aiemmat menetelmät valon käyttämiseksi liikkeen ohjaamiseen kvanttitasolla ovat rajoittuneet noin miljoona kertaa pienempiin kohteisiin. Skaalaus Rakichin laboratorion järjestelmään on ratkaisevan tärkeää, koska se mahdollistaa pidemmät koherenssiajat – eli ajan, jonka kvantti-informaatio säilyttää kvanttiominaisuutensa ennen heikkenemistä.

Koherenssiaikojen pidentäminen on ratkaisevan tärkeää kvanttitieteen edistämiselle ja on välttämätöntä käytännöllisten kvanttitietokoneiden luomiselle. Koon kasvu johtaa pidempään koherenssiin, koska pienempi osa atomeista sijaitsee pinnalla, missä asiat voivat olla hankalia (jopa kvanttien erittäin hankalien standardien mukaan). Rakich muistaa edesmenneen teoreettisen fyysikon Wolfgang Paulin sitaatin: "Jumala loi massan; pinnan keksi paholainen."

”Pinnoilla tapahtuvien erilaisten vuorovaikutusten hallinta on tunnetusti vaikeaa”, Rakich sanoo. Siksi Rakichin laboratorion lähestymistapa toimii niin hyvin – käyttämällä valoa ääniaaltojen käsittelemiseen kiteen sisällä, ne vähentävät huomattavasti pintavuorovaikutuksia. Tämä suojaa järjestelmää tehokkaasti ei-toivotulta kvanttidekoherenssilta.

Aiheesta aiemmin:

Mihin fononiikasta onkaan?

Valoa, ääntä ja mekaniikkaa kvanttitekniikkaan