En un experimento reciente en EPFL, un resonador de microondas, un circuito que soporta señales eléctricas que oscilan a una frecuencia de resonancia, se acopla a las vibraciones de un micro-tambor metálico. Al enfriar activamente el movimiento mecánico cerca de la energía más baja permitida por la mecánica cuántica, el micro-tambor se puede convertir en un depósito cuántico, un entorno que puede dar forma a los estados de las microondas. Los hallazgos se publican como una publicación avanzada en Física de la naturaleza .

László Dániel Tóth, Nathan Bernier, y el Dr. Alexey Feofanov dirigieron el esfuerzo de investigación en el Laboratorio de Fotónica y Mediciones Cuánticas de Tobias Kippenberg en EPFL, con el apoyo del Dr. Andreas Nunnenkamp, un teórico de la Universidad de Cambridge, REINO UNIDO.

Las microondas son ondas electromagnéticas, como la luz visible, pero con una frecuencia cuatro órdenes de magnitud menor. Las microondas forman la columna vertebral de varias tecnologías cotidianas, desde hornos microondas y teléfonos móviles hasta comunicaciones por satélite, y recientemente han ganado mayor importancia en la manipulación de información cuántica en circuitos superconductores, uno de los candidatos más prometedores para realizar futuras computadoras cuánticas.

El micro-tambor, solo 30 micrones de diámetro, 100 nanómetros de espesor y fabricados en el Centro de MicroNanotecnología (CMi) de EPFL, constituye la placa superior de un condensador en un resonador de microondas superconductor. La posición del tambor modula la frecuencia de resonancia del resonador y, en cambio, un voltaje a través del capacitor ejerce una fuerza sobre el micro-tambor. A través de esta interacción bidireccional, La energía se puede intercambiar entre las vibraciones mecánicas y las oscilaciones de microondas en el circuito superconductor.

En el experimento, el micro-tambor se enfría primero cerca de su nivel cuántico de energía más bajo mediante un tono de microondas adecuadamente sintonizado. Cada fotón de microondas (un cuanto de luz) lleva la energía de un fonón (un cuanto de movimiento mecánico) de manera que la energía mecánica se reduce. Este proceso de enfriamiento aumenta la disipación y convierte el micro-tambor en un depósito disipador para el resonador de microondas.

Al ajustar las interacciones entre la cavidad y el micro-tambor enfriado, que ahora es un ambiente para las microondas, la cavidad se puede convertir en un amplificador de microondas. El aspecto más interesante de este proceso de amplificación es el ruido añadido, es decir, cuanto aleatorio, Las fluctuaciones no deseadas se agregan a la señal amplificada.

Aunque contraintuitivo, La mecánica cuántica dicta que este ruido añadido no se puede suprimir por completo, incluso en principio. El amplificador realizado en el experimento EPFL opera muy cerca de este límite, por lo tanto, es tan "silencioso" como puede ser. Curiosamente, en un régimen diferente, el micro-tambor convierte el resonador de microondas en un máser (o láser de microondas).

"Ha habido mucha investigación centrada en llevar osciladores mecánicos al régimen cuántico en los últimos años". dice el Dr. Alexey Feofanov, investigador postdoctoral en el proyecto. "Sin embargo, nuestro experimento es uno de los primeros que realmente muestra y aprovecha sus capacidades para futuras tecnologías cuánticas ".

Mirando hacia el futuro, este experimento permite fenómenos novedosos en sistemas optomecánicos de cavidades como el enrutamiento silencioso de microondas o el entrelazamiento de microondas. Generalmente, Demuestra que los osciladores mecánicos pueden ser un recurso útil en el campo de rápido crecimiento de la ciencia y la ingeniería cuánticas.

Las actividades futuras sobre las posibilidades de investigación emergentes creadas por este trabajo serán apoyadas por dos proyectos EC Horizon 2020 recientemente iniciados:Tecnologías Optomecánicas Híbridas (HOT) y Tecnologías Optomecánicas (OMT), ambos coordinados en EPFL.