Эксперимент по выявлению квантовых эффектов на объектах макроскопического масштаба

Одним из самых интересных научных достижений 2010 года с уверенностью можно считать эксперимент группы ученых из Калифорнийского Университета. Коллектив состоящий из трех человек (Эндрю Клиленда, Джона Мартиниса и Аарона О’Коннела) поставил эксперимент, позволяющий управлять макроскопической механической системой при помощи квантовых воздействий.

Исследователи разработали механизм (Рис. 1), представляющий из себя маленький лепесток, видимый невооруженным взглядом, и приводимый в колебание квантовым воздействием. Сначала они охладили лепесток до низкой температуры, при которой он достиг своего основного квантового состояния (минимального возможного энергетического уровня по законам квантовой механики). Далее они повысили энергию системы посредством передачи ей всего одного кванта энергии, получив исключительно квантово-механическую форму движения. Измерения показали возможность пребывания устройства в двух состояниях одновременно, т.е. таким образом, что лепесток вибрировал с большей и меньшей интенсивностью одновременно – причудливое явление, возможное в рамках столь необычных законов квантовой механики.

Рисунок 1 - Экспериментальное устройство

Более подробное описание принципа действия и конструкции экспериментальной установки выглядит следующим образом.

Для эксперимента требовалось три вещи: некоторая вибрирующая деталь, т.н. “микромеханический резонатор”, сверхчувствительный измерительный прибор и специальные условия, в которые следовало поместить их.

О’Коннел начал изготавливать резонатор из кремниевой пластинки, взяв за основу используемые в мобильных телефонах резонаторы компании Agilent. Резонатор представляет из себя структуру, содержащую нитрид алюминия, которая может расширяться и сжиматься с высокой частотой в 6 ГГц. Резонатор установлен на электроизоляционной механической подвеске.

Когда был создан резонатор, О’Коннел принялся за измерительное устройство, которое должно быть размещено на той же подложке. Он использовал квантовую электрическую цепь, ранее разработанную Мартинисом на основе фазового кубита.

Нитрид алюминия – пьезоэлектрический материал. Таким образом механическое движение генерирует электрические сигналы, которые должны улавливаться кубитами. При этом для наблюдения квантовых эффектов вся конструкция должна быть охлаждена до столь низкой температуры, при которой квантовый резонатор занимает самое низкое энергетическое состояние – своё основное квантовое состояние.

Сперва благодаря кубиту О’Коннел и коллеги смогли продемонстрировать что они действительно достигли основного квантового состояния резонатора. Далее при помощи внешнего магнитного поля они смогли передавать резонатору отдельную порцию механического движения, сделав первый шаг в сторону квантового управления механическим движением.

Таким образом открываются перспективы создания и сверхчувствительных датчиков механического движения, в частности вибрации, и наиболее прецизионных в управлении механизмов.

Использованные источники:

• Sciencemag.org
• Aaas.org