Optomechanical quantum sensors at room temperature (QuaSeRT)

Dette prosjektet er en del av konsortiet QuaSeRT (Optomechanical quantum sensors at room temperature), som har partnere innen både eksperimentell og teoretisk fysikk fra universiteter i Italia, Frankrike, Østerrike, Nederland og Tyskland. Prosjektets mål er grunnforskning på måleinstrumenter/sensorer som er så følsomme at de må beskrives ved kvantefysikkens lover. Nøyaktigheten til mange sensorer avhenger av hvor nøye man kan måle posisjonen til et bevegelig mekanisk element. En slik posisjonsmåling kan gjøres svært nøyaktig ved å måle lys reflektert fra det bevegelige elementet. Et ekstremt eksempel på dette er de mye omtalte observasjonene av gravitasjonsbølger fra verdensrommet. Nøyaktigheten til en posisjonsmåling vil imidlertid til syvende og sist være begrenset av såkalt termisk støy, dvs. det faktum at alle ting som har en temperatur alltid vil riste litt på seg. Dette forskningsprosjektet omhandler såkalte optomekaniske systemer hvor elektromagnetisk stråling (f.eks. lys) og mekaniske bevegelser påvirker hverandre. Lys kan ikke bare detektere bevegelse, men kan også påvirke bevegelsen gjennom det som kalles strålingstrykk. I de senere år har eksperimentalister lyktes i å bruke lys til å dempe eller kjøle bevegelsen til relativt store mekaniske elementer slik at de termiske bevegelsene blir fullstendig fraværende. De ørsmå gjenværende bevegelsene kalles kvantestøy. I prosjektet QuaSeRT skulle det utvikles bedre systemer av denne typen hvor man blant annet kan bruke lys til å kjøle bevegelse til dette kvanteregimet uten andre former for nedkjøling, dvs. direkte fra romtemperatur. Kjetil Børkje ved Universitetet i Sørøst-Norge skulle fokusere på den teoretiske delen av prosjektet. Dette innebærer utvikling av nye, alternative måleprotokoller for denne type systemer som kan skjelne små signaler og forskning på hvordan optomekaniske systemer kan innta ikke-klassiske tilstander. I tillegg til å muliggjøre ekstremt nøyaktige målinger har forskningen også relevans for kvanteinformasjonsteknologi og for fundamentale spørsmål innen kvantefysikk. For å utvikle nye måleprotokoller, har vi undersøkt dynamikken til en optisk dempet mekanisk oscillator som også er påvirket av en stor, oscillerende kraft. Dette oppsettet fører til høyst ikke-lineær dynamikk og fenomenet multistabilitet, hvor den mekaniske svingeamplituden i likevekt kan ha flere ulike verdier. Måleprotokollen er basert på eksistensen av et bistabilitetsregime for den mekaniske svingeamplituden. Hvis den ytre kraften er valgt slik at systemets likevekt er i nærheten av et såkalt bifurkasjonspunkt, hvor en av de stabile likevektsløsningene forsvinner, vil små signaler (enten mekaniske eller optiske) kunne føre til en overgang fra en stabil svingeamplitude til en annen, noe som enkelt kan detekteres optisk. Vi har utført en teoretisk studie av potensialet for ikke-lineær dynamikk også i kvante-regimet, gitt begrensningen at så å si alle eksperimentelle realiseringer av optomekaniske systemer har såkalt svak kobling på nivå av individuelle kvanta av lys og bevegelse (fotoner og fononer). Vi har funnet at spesielt sammensatte optomekaniske systemer som involverer flere mekaniske oscillatorer kan utvise ikke-lineær dynamikk selv med et midlere antall fotoner mindre enn 1. Denne studien er et steg på veien mot å skape systemer med fundamentalt ny dynamikk, noe som også kan åpne for nye måleprotokoller. Vi har også identifisert nye metoder for å påvise ikke-klassisk oppførsel i optomekaniske systemer. Dette er mulig ved statistisk analyse av lyset som systemet sender ut. Målingene involverer frekvensfiltrering av lyset og deteksjon av enkeltfotoner som har blitt frekvenskonvertert ved vekselvirkning med det mekaniske elementet. Denne type målinger er mulig i flere ulike implementasjoner av optomekanikk. I denne teoretiske studien har vi identifisert modell-uavhengige signaturer på ikke-klassikalitet, som betyr at tolkningen av måleresultatene ikke avhenger av vår teoretiske modell av systemet. Til slutt har vi bidratt med teoretisk støtte til eksperimenter utført av andre partnere i konsortiet. Dette dreier seg om hvordan man kan karakterisere den kvantemekaniske, todimensjonale bevegelsen til en nanopartikkel som er fanget i en såkalt optisk pinsett og kjølt ned til kvanteregime ved hjelp av sterke, optomekaniske vekselvirkninger. Karakteriseringen er mer komplisert enn tidligere eksperimenter, både grunnet de sterke vekselvirkningene og at bevegelsen skjer i flere romlige dimensjoner. Prosjektet QuaSeRT i sin helhet har ført til flere resultater som har flyttet grensene for hva som er mulig i kvante-optomekaniske systemer. Det sentrale målet om å bruke lys til å kjøle bevegelse til kvanteregimet fra romtemperatur har blitt oppnådd for nanopartikler fanget i optiske pinsetter.

-

The main target of this project is the creation of optomechanical sensing devices achieving the quantum limit in the measurement process, and exploiting peculiar quantum properties, of both the mechanical oscillator and the interacting radiation field, to enhance the efficiency of the measurement and to integrate the extracted information in quantum communication systems. We will develop three different platforms that, according to the present state of the art, are the most suitable to achieve our goal: (i) semiconductor nano-optomechanical disks (ii) tensioned dielectric membranes (iii) levitating nanoparticles. This parallel approach allows increasing the success probability, to extend the operating frequency range and diversify the systems for a larger versatility. Moreover, in order to study specific quantum protocols, we will exploit nano-electro-mechanical systems which have been shown to be the most suitable classical test-bench for this purpose thanks to their long coherence even at room temperature and their unprecedented control. Mechanical and optical properties of the different resonators will be improved, in order to increase the coherent coupling rate and reduce the decoherence rate, eventually achieving quantum performance of the devices at room temperature, a crucial requirement for a realistic application scenario as sensors. Producing and manipulating quantum states of a sensor is an important pre-requisite for the quantum revolution, e.g., for implementing a quantum network that collects information from the environment and transfers it into quantum communication channels. We will produce prototype portable sensing systems, evaluate and compare the performance of the different platforms as acceleration sensors, study the possibilities of system integration and of functionalization for future extended sensing capability.