Pesquisadores da Universidade do Colorado desenvolveram recentemente uma nova técnica para medir o movimento mecânico usando amplificação eletromecânica simultânea e processos de resfriamento. Seu método, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , permitiu-lhes realizar uma medição quase silenciosa da posição de um oscilador mecânico, que até agora provou ser difícil usar técnicas alternativas para medir o movimento.

"Nossa pesquisa surgiu por dois motivos, "Robert Delaney, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Primeiro, estamos usando esses sistemas mecânicos para converter sinais de forma eficiente entre o domínio de microondas e o domínio óptico. A conversão de sinais entre essas duas bandas de frequência díspares é importante para a rede de futuros computadores quânticos, ou para construir o equivalente da internet quântica. "

Muitos grupos de pesquisa em todo o mundo estão atualmente tentando desenvolver osciladores mecânicos macroscópicos em estados verdadeiramente quânticos de movimento, para ambas as aplicações práticas, como detecção de força, e testes de mecânica quântica em escalas maiores. Em ambos os casos, caracterizar e medir o movimento dos osciladores mecânicos nos limites impostos pela mecânica quântica será de crucial importância.

Além de permitir a conversão de sinais entre microondas e domínios ópticos, Delaney e seus colegas queriam descobrir uma maneira de medir esse movimento além do limite quântico. Para alcançar isto, eles modificaram uma técnica conhecida como medição de evasão por ação das costas. A medição de evasão de ação nas costas tem sido vista como uma das técnicas mais promissoras para medição de movimento em quadratura simples por vários anos, no entanto, até agora obteve resultados insatisfatórios.

"Através da interação do oscilador mecânico com uma cavidade de microondas (ou óptica), A medição evasiva de ação traseira, em princípio, permite a medição silenciosa da posição do oscilador mecânico, "Robert Delaney, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Na prática, isso tem sido difícil de implementar porque as interações adicionais entre o campo de microondas (ou óptico) e o oscilador mecânico levam a instabilidades no movimento mecânico, o que impede a medição contínua. "

Para superar os problemas associados a essas instabilidades no movimento mecânico, os pesquisadores modificaram o esquema convencional de evasão de ação nas costas, a fim de induzir intencionalmente a instabilidade em um oscilador mecânico. Isso finalmente permitiu que eles coletassem uma medição pulsada do movimento do oscilador.

"Ao aplicar duas bombas de frequência de micro-ondas ao ressonador de micro-ondas que são desafinadas pela frequência de ressonância do oscilador mecânico, podemos aumentar a interação do oscilador mecânico com o campo de micro-ondas, "Delaney explicou." Um tom de micro-ondas é desafinado para o vermelho, ou abaixo da frequência ressonante da cavidade de microondas, enquanto o outro tom é desafinado pelo azul, ou acima da frequência de ressonância da cavidade. "

A bomba vermelha desafinada usada por Delaney e seus colegas resfria o oscilador mecânico por meio do campo de micro-ondas de uma forma que lembra como as técnicas de resfriamento a laser resfriam átomos. A bomba azul desafinada, por outro lado, amplifica o movimento do oscilador mecânico, adicionando continuamente energia do campo de micro-ondas ao oscilador.

A bomba desafinada azul é maior do que a vermelha. Quando combinados de uma forma que amplifica na rede, esses dois processos distintos interferem e amplificam a posição ou o momento (ou seja, dependendo da fase das bombas) do oscilador mecânico, com quase nenhum ruído. Os dois componentes de quadratura que os pesquisadores usaram para descrever o movimento são simplesmente versões adimensionais da posição e do momento do oscilador mecânico.

"A principal vantagem desta técnica é que ela pode medir uma única quadratura de movimento quase sem ruído, e ao caracterizar estados quânticos frágeis de movimento, mesmo uma pequena quantidade de ruído adicionado pode obscurecer o estado de interesse, "Delaney disse." Para caracterizar completamente um estado quântico de movimento, você precisa realizar uma tomografia de estado quântico, e a medição ideal para essas técnicas de reconstrução de estado é uma medição de quadratura simples e silenciosa. "

Os osciladores mecânicos são usados ​​em vários subcampos da física, por exemplo, ao realizar pesquisas que investigam a mecânica quântica em escalas maiores, detecção de força limitada quântica e informação quântica. A técnica desenvolvida por Delaney e seus colegas poderia, portanto, ter implicações importantes para uma variedade de estudos de física.

"Nesse trabalho, demonstramos uma medição quase silenciosa da posição de um oscilador mecânico, o que tem sido difícil de alcançar com técnicas utilizadas anteriormente, como medição de evasão de ação traseira ou amplificação paramétrica externa, "Delaney disse." Também demonstramos que a amplificação eletromecânica transiente pode ser usada para caracterizar cuidadosamente um estado compactado quântico, um pré-requisito para usar a compressão para melhorar a detecção de força. "

No futuro, o método de medição do movimento mecânico introduzido por esta equipe de pesquisadores pode abrir novos horizontes para a pesquisa em física e pavimentar o caminho para o desenvolvimento de novas ferramentas, incluindo tecnologia de detecção de força e técnicas para conectar computadores quânticos. Além disso, seu método pode ser ideal para caracterizar osciladores mecânicos preparados em estados quânticos ainda mais exóticos, como estados de superposição ou estados de gato, um objetivo há muito almejado no campo da física.

"Agora estamos focados no uso de sistemas eletromecânicos / optomecânicos para conversão de microondas em óptica, "Delaney disse." Quando integrado com outros componentes de computação quântica, como qubits supercondutores, podemos usar esta técnica para medir o movimento do oscilador mecânico neste sistema para verificar se estamos gerando estados quânticos. "

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