TU Delft en Universiteit Wenen meten kwantumkarakter van trillingen

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 kwantumeigenschap. 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."

Klein balkje

Het device dat we gebruiken, is een mechanisch balkje van silicium met 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 trillingsenergie 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 gekwantiseerd."

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 kwantumcontrole van mechanische beweging."

Miljarden atomen

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 kwantumtoestanden van beweging te genereren en te verifiëren, kan dus worden toegepast op deze relatief grote systemen. Dit zou kunnen leiden tot testen  om te kijken of de ‘vreemde’ wetten van de  kwantummechanica ook gelden voor grote objecten. "Over deze vraag wordt al sinds het begin van de kwantumtheorie gediscussieerd", legt Gröblacher uit. "Het beroemde gedachtenexperiment over de kat van Schrödinger, is het bekendste voorbeeld daarvan."

Mondiaal kwantumnetwerk

Naast deze fundamentele aspecten, zijn de micromechanische balkjes veelbelovende kandidaten als bouwsteen voor het verwerken van kwantuminformatie met fononen. Voor de vervaardiging 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 kwantuminformatie 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 kwantumnetwerk, met supergeleidende microgolf-qubits en telecom-laserlicht voor de overdracht van informatie. 

S. Hong, R. Riedinger, I. Marinković, A. Wallucks, S. G. Hofer, R. A. Norte, M. Aspelmeyer, en S. Gröblacher, Hanbury Brown and Twiss interferometry of single phonons from an optomechanical resonator, Science, 21 september 2017. http://dx.doi.org/10.1126/science.aan7939