La almohadilla central de una membrana de nitruro de silicio perforada (amarillo, dentro del marco de silicio rojo) vibra como un "tambor cuántico, ”Gracias al aislamiento acústico extremo proporcionado por el patrón de agujeros inventado en el laboratorio de Schliesser. La medición basada en láser de las vibraciones del tambor permite el control de su estado cuántico de movimiento, eliminando todo el ruido, incluida la perturbación cuántica por la propia medición, de forma análoga a los auriculares con cancelación de ruido. Los auriculares en el fondo proporcionan una referencia de tamaño. Crédito:Instituto Niels Bohr
Investigadores del laboratorio Schliesser del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, han demostrado una nueva forma de abordar un problema central de la física cuántica:a escala cuántica, cualquier medida perturba el objeto medido. Esta perturbación limita, por ejemplo, la precisión con la que se puede seguir el movimiento de un objeto. Pero en una membrana de un milímetro que vibra como un parche de tambor, los investigadores han logrado monitorear con precisión el movimiento con un láser y deshacer la perturbación cuántica mediante la medición. Esto les permite controlar el movimiento de la membrana a nivel cuántico. El resultado tiene aplicaciones potenciales en sensores de posición ultraprecisos, velocidad y fuerza, y la arquitectura de una futura computadora cuántica. Ahora se publica en la prestigiosa revista científica, Naturaleza .
A nivel cuántico, la realización de mediciones perturba el objeto medido:el uso de un rayo láser para determinar la posición o la velocidad de un objeto requiere bombardearlo con muchos fotones. Los fotones lo patearán con cada impacto, y el objeto comenzará a moverse en consecuencia. Como los fotones llegan al azar, esto da como resultado un movimiento aleatorio adicional sobre los movimientos originales, degradando la capacidad de medir y controlar el estado de movimiento real. Si se baja la intensidad del láser, con el fin de reducir dicha "retroacción" de la medición, la relación señal-ruido en el detector disminuye y la medición se vuelve imprecisa, nuevamente. "Se necesita una medición sólida, a pesar de que da como resultado una retroacción cuántica. Todo lo que tenemos que hacer es medir y deshacer la retroacción cuántica. Y eso es básicamente lo que hemos logrado ", El profesor Albert Schliesser lo explica.
El experimento
"Nuestros experimentos nos ofrecen una oportunidad realmente única:nuestros datos muestran claramente efectos cuánticos, como la retroacción cuántica, en la medición del movimiento mecánico. Por lo tanto, podemos probar en nuestros laboratorios si las modificaciones inteligentes del aparato de medición pueden mejorar la precisión, utilizando trucos que en las últimas décadas solo pudieron teorizarse. " él continúa.
Un resonador de membrana de nitruro de silicio suspendido de un marco de silicio cuadrado de tamaño mm. El patrón de agujeros en la membrana tiene una banda prohibida fonónica que limita las vibraciones en ciertas frecuencias a la isla ("defecto") en el centro. Crédito:Instituto Niels Bohr
El sistema experimental es un ca. Membrana de tamaño 3x3 mm hecha de nitruro de silicio cerámico (Fig. 1). Está sometido a una alta tensión y vibra cuando se golpea, como un parche de tambor. Un patrón de orificios especial inventado en el laboratorio de Schliesser aísla estas vibraciones extremadamente bien:una vez que vibra, sufre mil millones de ciclos de oscilación antes de perder una fracción significativa de su energía en su entorno. (Para un tambor normal, ese número sería alrededor de cien). Una ventaja adicional del nitruro de silicio es que no absorbe la luz láser utilizada para interrogar su movimiento, por lo que la membrana no se calienta, lo que de nuevo conduciría a algún movimiento incontrolado de la membrana.
Controlar el estado cuántico de movimiento con cancelación activa de ruido
Excluyendo perturbaciones externas a través de un aislamiento tan extremo, los científicos pueden centrarse en los efectos cuánticos de la medición. Usando un láser muy estable, de hecho pueden medir el movimiento, incluida la retroacción de la medición, hasta el nivel cuántico. "Lo notable es que luego podemos tomar este registro de medición, ejecutarlo a través de algunos dispositivos electrónicos, y aplicar una fuerza contraria a la membrana, para deshacer los efectos aleatorios de la retroacción cuántica. Básicamente funciona como un par de auriculares con cancelación de ruido, solo en el régimen cuántico, "explica el estudiante de doctorado Massimiliano Rossi, uno de los autores principales del estudio. De esta forma, los científicos podrían preparar de manera determinista el movimiento de la membrana en un estado cuántico puro, un objetivo que los físicos de una variedad de comunidades han perseguido durante los últimos 20 años.
La razón radica en la versatilidad de tales técnicas de control cuántico cuando se aplican al movimiento. Los interferómetros LIGO son un ejemplo. Miden ondas gravitacionales, emitido, p. ej. fusionando agujeros negros a miles de millones de años luz de distancia, monitoreando el movimiento de grandes espejos en la tierra. Para recuperar estas señales extremadamente débiles, tienen que llevar la sensibilidad a tal extremo que entren en juego los límites cuánticos de las mediciones de movimiento. Por otra parte, controlar el estado cuántico de los sistemas mecánicos podría ser útil para componentes especiales de una computadora cuántica. Un elemento de memoria por ejemplo, se beneficiaría de la larga vida útil de las excitaciones mecánicas. Por último, Las vibraciones controladas cuánticamente también son interesantes desde un punto de vista fundamental:como la vibración implica que la masa se está moviendo, ¿Qué papel juega la gravedad? ¿Cómo influye en el estado cuántico de movimiento? Las teorías aceptadas de hoy, y mucho menos experimentos, todavía tienen que ofrecer respuestas claras a estas preguntas.
