거시적 진동자는 양자 수준에서 하나로 움직인다

양자 기술은 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시키고 있습니다. 떠오르는 기술 중 하나는 거시적 기계식 발진기인데, 이는 석영 시계, 휴대전화, 통신에 사용되는 레이저에 필수적인 장치입니다. 양자 영역에서 거시적 발진기는 양자 컴퓨팅을 위한 초고감도 센서와 구성 요소를 가능하게 하여 다양한 산업에서 혁신을 위한 새로운 가능성을 열 수 있습니다.

양자 수준에서 기계적 발진기를 제어하는 ​​것은 양자 컴퓨팅과 초정밀 감지의 미래 기술을 개발하는 데 필수적입니다. 그러나 이를 집합적으로 제어하는 ​​것은 거의 완벽한 단위, 즉 동일한 단위가 필요하기 때문에 어렵습니다.

양자 광역학의 대부분 연구는 단일 발진기에 집중되어 기저 상태 냉각 및 양자 압착과 같은 양자 현상을 보여줍니다. 그러나 많은 발진기가 하나로 작동하는 집단 양자 동작의 경우는 그렇지 않았습니다. 이러한 집단 역학은 더 강력한 양자 시스템을 만드는 데 중요하지만 거의 동일한 속성을 가진 여러 발진기에 대한 매우 정확한 제어가 필요합니다.

EPFL의 토비아스 키펜버그가 이끄는 과학자들은 이제 오랫동안 추구했던 목표를 달성했습니다. 그들은 집단 상태에서 6개의 기계적 진동기를 성공적으로 준비하고, 양자적 행동을 관찰했으며, 진동기가 그룹으로 작용할 때만 나타나는 현상을 측정했습니다. Science 에 게재된 이 연구는 양자 기술에 있어 중요한 진전을 나타내며 대규모 양자 시스템으로의 문을 열었습니다.

"이것은 초전도 플랫폼의 기계적 주파수 사이의 매우 낮은 무질서로 가능해졌으며, 그 수준은 0.1%에 불과합니다." 연구의 첫 번째 저자인 마흐디 체그니자데가 말했습니다. "이러한 정밀성 덕분에 발진기는 독립적인 구성 요소가 아닌 통합된 시스템으로 작동하는 집합적 상태에 들어갈 수 있었습니다."

과학자들은 양자 효과를 관찰하기 위해 사이드밴드 냉각을 사용했습니다. 이는 발진기의 에너지를 양자 기본 상태, 즉 양자 역학에서 허용하는 가장 낮은 에너지로 줄이는 기술입니다.

사이드밴드 냉각은 발진기에 레이저를 비추고, 레이저의 빛은 발진기의 자연 주파수보다 약간 낮게 조정하여 작동합니다. 빛의 에너지는 진동하는 시스템과 상호 작용하여 에너지를 빼냅니다. 이 과정은 열 진동을 줄이고 시스템을 거의 정지 상태로 만들기 때문에 섬세한 양자 효과를 관찰하는 데 중요합니다.

마이크로파 캐비티와 발진기 사이의 결합을 증가시킴으로써, 시스템은 개별 역학에서 집단 역학으로 전환됩니다. "더욱 흥미로운 점은, 양자 기본 상태에서 집단 모드를 준비함으로써, 양자 집단 운동의 특징인 양자 측파대 비대칭을 관찰했다는 것입니다. 일반적으로 양자 운동은 단일 물체에 국한되지만, 여기서는 발진기 시스템 전체에 걸쳐 있습니다."라고 연구의 공동 저자인 마르코 실리우초는 말합니다.

연구원들은 또한 냉각 속도가 향상되고 "어두운" 기계적 모드, 즉 시스템 공동과 상호 작용하지 않고 더 높은 에너지를 유지하는 모드의 출현이 나타나는 것을 관찰했습니다.

이 발견은 기계 시스템에서의 집단 양자 행동에 대한 이론을 실험적으로 확인하고 양자 상태를 탐구할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 또한, 기계 시스템에서 집단 양자 운동을 제어하는 ​​능력은 양자 감지 및 다자간 얽힘 생성의 발전으로 이어질 수 있으므로 양자 기술의 미래에 큰 영향을 미칩니다.

모든 장치는 EPFL의 마이크로나노기술 센터(CMi)에서 제작되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241219151607.htm