Investigadores de la Universidad de Colorado han desarrollado recientemente una nueva técnica para medir el movimiento mecánico utilizando procesos simultáneos de amplificación y enfriamiento electromecánicos. Su método, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , les permitió realizar una medición casi silenciosa de la posición de un oscilador mecánico, que hasta ahora ha demostrado ser difícil utilizando técnicas alternativas para medir el movimiento.

"Nuestra investigación se produjo por dos razones:"Robert Delaney, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Primero, estamos utilizando estos sistemas mecánicos para convertir de manera eficiente señales entre el dominio de microondas y el dominio óptico. La conversión de señales entre estas dos bandas de frecuencia dispares es importante para la conexión en red de las futuras computadoras cuánticas. o para construir el equivalente de la Internet cuántica ".

Muchos grupos de investigación en todo el mundo están tratando de desarrollar osciladores mecánicos macroscópicos en estados de movimiento verdaderamente cuánticos. para ambas aplicaciones prácticas, como la detección de fuerza, y pruebas de mecánica cuántica a mayor escala. En ambos casos, caracterizar y medir el movimiento de los osciladores mecánicos en los límites impuestos por la mecánica cuántica será de crucial importancia.

Además de permitir la conversión de señales entre dominios ópticos y de microondas, Delaney y sus colegas querían encontrar una forma de medir este movimiento más allá del límite cuántico. Lograr esto, modificaron una técnica conocida como medición de evasión por retroceso. La medición de evasión de la acción hacia atrás se ha considerado una de las técnicas más prometedoras para la medición de movimiento en cuadratura única durante varios años. sin embargo, hasta ahora ha obtenido resultados insatisfactorios.

"Mediante la interacción del oscilador mecánico con una cavidad de microondas (u óptica), La medición de evasión de acción inversa en principio permite una medición silenciosa de la posición del oscilador mecánico, "Robert Delaney, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En la práctica, esto ha sido difícil de implementar porque las interacciones adicionales entre el campo de microondas (u óptico) y el oscilador mecánico conducen a inestabilidades en el movimiento mecánico, lo que impide la medición continua ".

Para superar los problemas asociados con estas inestabilidades en el movimiento mecánico, los investigadores modificaron el esquema convencional de evasión de acción trasera, para inducir intencionalmente inestabilidad en un oscilador mecánico. Esto finalmente les permitió recopilar una medida pulsada del movimiento del oscilador.

"Al aplicar dos bombas de frecuencia de microondas al resonador de microondas que son desafinadas por la frecuencia de resonancia del oscilador mecánico, podemos mejorar la interacción del oscilador mecánico con el campo de microondas, "Explicó Delaney." Un tono de microondas está desafinado al rojo, o por debajo de la frecuencia de resonancia de la cavidad de microondas, mientras que el otro tono está desafinado en azul, o por encima de la frecuencia de resonancia de la cavidad ".

La bomba roja desafinada utilizada por Delaney y sus colegas enfría el oscilador mecánico a través del campo de microondas de una manera que se asemeja a cómo las técnicas de enfriamiento por láser enfrían los átomos. La bomba azul desafinada por otra parte, amplifica el movimiento del oscilador mecánico agregando continuamente energía del campo de microondas al oscilador.

La bomba azul desafinada es más grande que la roja. Cuando se combina de una manera que se amplifica en la red, Estos dos procesos distintos interfieren y amplifican la posición o el impulso (es decir, dependiendo de la fase de las bombas) del oscilador mecánico, casi sin ruido. Los dos componentes de cuadratura que los investigadores utilizaron para describir el movimiento son simplemente versiones adimensionales de la posición y el momento del oscilador mecánico.

"La principal ventaja de esta técnica es que puede medir una sola cuadratura de movimiento casi sin ruido, y al caracterizar frágiles estados cuánticos de movimiento, incluso una pequeña cantidad de ruido adicional puede oscurecer el estado de interés, ", Dijo Delaney." Para caracterizar completamente un estado cuántico de movimiento es necesario realizar una tomografía de estado cuántico, y la medida ideal para estas técnicas de reconstrucción de estados es una medida silenciosa en cuadratura única ".

Los osciladores mecánicos se utilizan en varios subcampos de física, por ejemplo, al realizar investigaciones que investigan la mecánica cuántica a escalas mayores, detección de fuerza cuántica limitada e información cuántica. La técnica desarrollada por Delaney y sus colegas podría tener implicaciones importantes para una variedad de estudios de física.

"En este trabajo, demostramos una medición casi silenciosa de la posición de un oscilador mecánico, lo cual ha sido difícil de lograr con técnicas utilizadas anteriormente como la medición de evasión de acción inversa o la amplificación paramétrica externa, "Dijo Delaney." También demostramos que la amplificación electromecánica transitoria se puede utilizar para caracterizar cuidadosamente un estado de compresión cuántica, un requisito previo para utilizar la compresión para mejorar la detección de la fuerza ".

En el futuro, el método para medir el movimiento mecánico introducido por este equipo de investigadores podría abrir nuevos horizontes para la investigación en física y allanar el camino para el desarrollo de nuevas herramientas, incluyendo tecnología de detección de fuerza y ​​técnicas para conectar computadoras cuánticas. Además, su método podría ser ideal para caracterizar osciladores mecánicos preparados en estados cuánticos aún más exóticos, como estados de superposición o estados cat, un objetivo largamente buscado en el campo de la física.

"Ahora nos centramos en el uso de sistemas electromecánicos / optomecánicos para la conversión de microondas a óptica, ", Dijo Delaney." Cuando se integra con otros componentes de computación cuántica como qubits superconductores, podemos usar esta técnica para medir el movimiento del oscilador mecánico en este sistema para verificar que estamos generando estados cuánticos ".

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