TU Delft en Universiteit Wenen meten quantum-karakter van vibraties

Vibraties, zoals van een brug, een gitaarsnaar of een stemvork, gedragen zich als golven; ze zwaaien op en neer. Maar de quantummechanica voorspelt dat deze beweging eigenlijk bestaat uit hele kleine discrete pakketjes energie, fononen genaamd. Een team van onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit van Wenen hebben een nieuw niveau van quantum-controle over deze vibraties gedemonstreerd, waarbij ze gebruik maken van laserpulsen. Ze creëren individuele fonon-excitaties en kunnen hun fundamentele deeltjeskarakter bevestigen; dit door een bekende test uit de quantum-optica aan te passen. Ze presenteren hun resultaten op donderdag 21 september in de online-editie van Science 

Prof. Markus Aspelmeyer (Universiteit Wenen) legt uit: “We hebben de ideeën van dit experiment aangepast om te kunnen kijken naar het deeltjeskarakter van fononen in plaats van licht.”

Een van de belangrijke testen van het deeltjeskarakter van licht, is het Hanbury Brown and Twiss experiment. In essentie is dit gebaseerd op het feit dat de fundamentele energiepakketjes niet kunnen worden gesplitst; bij een semi-transparante spiegel moeten ze ofwel helemaal doorgelaten worden ofwel helemaal gereflecteerd. Dit laat onomstotelijk het deeltjeskarakter van licht zien, een echte quantum-eigenschap. Prof. Markus Aspelmeyer (Universiteit Wenen) legt uit: “We hebben de ideeën van dit experiment aangepast om te kunnen kijken naar het deeltjeskarakter van fononen in plaats van licht.”

Het device dat we gebruiken, is een mechanisch silicium balkje van micrometer-afmetingen”, zegt prof. Simon Gröblacher, van het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft. Hij was leider van het team van researchers, samen met prof. Aspelmeyer. “Het balkje heeft een zodanig patroon dat zijn vibraties kunnen worden ‘geschreven’ op laserpulsen die er door heen reizen en vice versa”, voegt Gröblacher toe. “Het balkje wordt eerst extreem gekoeld zodat er geen vibratie-energie meer over is. Dan gebruiken we de laserpulsen; die kunnen ofwel energie onttrekken aan de balk ofwel energie toevoegen. Eerst treft een zwakke laserpuls het balkje, waarbij één enkele mechanische vibratie wordt gecreëerd; tegelijk wordt er een foton met een andere frequentie uitgezonden. We meten vervolgens deze excitatie met een tweede sterke puls en bevestigen hiermee dat de mechanische beweging inderdaad is gequantiseerd.”

Voor een klassieke trilling zou dit Hanbury Brown and Twiss experiment resulteren in autocorrelaties groter dan 1, wat aangeeft dat de golfpakketjes gesplitst zijn. “Wij zien duidelijk een waarde beneden de 1, wat het deeltjeskarakter van de trilling bevestigt”, zegt prof. Aspelmeyer. “De creatie en verificatie van individuele fononen is een belangrijke stap naar volledige optische quantum-controle van mechanische beweging.”

Het vibrerende  balkje bestaat uit acht miljard atomen en heeft de grootte van een kleine cel. Je kunt het dus gemakkelijk zien met een vergrootglas of een microscoop. De gebruikte techniek om quantumtoestanden van beweging te genereren en te verifiëren, kan dus toegepast worden op deze relatief grote systemen. Dit zou kunnen leiden tot testen  om te kijken of de ‘vreemde’ wetten van de  quantummechanica ook gelden voor grote objecten. “Over deze vraag wordt al sinds het begin van de quantumtheorie gediscussieerd”, legt Gröblacher uit. “Het beroemde gedachtenexperiment over de kat van Schrödinger, is het bekendste voorbeeld daarvan.”

Naast deze fundamentele aspecten, zijn de micromechanische balkjes veelbelovende kandidaten als bouwsteen voor het verwerken van quantum-informatie met fononen. Voor de fabricatie van de devices wordt namelijk dezelfde technologie gebruikt als in silicium fotonica. De metingen worden nu al uitgevoerd met lasers die golflengtes uit de telecommunicatie gebruiken, dus de quantum-informatie kan gemakkelijk over grote afstanden worden getransporteerd.
Daarnaast maken de kleine afmetingen van deze phononic circuits een hoge mate van integratie en totale engineerability van de eigenschappen mogelijk. Deze kwaliteiten maken hen volgens de onderzoekers de perfecte bouwstenen voor een toekomstig mondiaal quantum-netwerk, met supergeleidende microgolf-qubits en telecom-laserlicht voor de overdracht van informatie.

Credits: Moritz Forsch. Kavli Institute of Nanoscience, Technische Universiteit Delft.

In het midden van de afbeelding is  een mechanische oscillator te zien die is afgekoeld tot zijn grondtoestand en vervolgens met succes is aangeslagen door een enkele energie-quantum. Daarboven afgebeeld is de simulatie van de vorm van de mechanische toestand die in het experiment is gebruikt. Het onderste gedeelte is een artist’s impression van een quasi-probabilistische verdeling van de quantumtoestand.