המכון למידע קוונטי בבייג'ין: שימוש בהמרת תדרים משולבת-סיבים כדי להשיג התפלגות של הסתבכות קוונטית לאורך 100 קילומטרים
בשנות ה-60, הופעת הלייזר פתחה עידן חדש של מדע ויישום. מסריקת קוד בסופרמרקט ועד לניתוח קוצר ראייה, הטכנולוגיה המסורתית של מניפולציה של פוטונים בלייזר השתלבה זה מכבר בחיי היומיום. בשני העשורים האחרונים, מדענים פיתחו בהצלחה לייזרים חדשים שיכולים לשלוט ב"פונונים" (יחידות אנרגיה קוונטיות של רעידות מכניות). שליטה מדויקת בפונונים צפויה להביא אפשרויות נוספות לטכנולוגיית הלייזר, כמו ניצול תכונות קוונטיות ייחודיות כמו מצבים מסתבכים.
צוות מחקר מאוניברסיטת רוצ'סטר והמכון הטכנולוגי של רוצ'סטר בארצות הברית פיתח לאחרונה לייזר פונון דחוס -כפול, שיכול להשיג שליטה-בדיוק גבוה בפונונים בקנה מידה ננומטרי.
צוות המחקר פרסם מאמר קשור בכתב העת Nature Communications, המפרט כיצד לאפשר קוונטות רטט מכאניות (פונונים) בקנה מידה ננומטרי כדי לשמור על פלט לייזר-כמו פלט קוהרנטי תוך השגת דחיסת רעש תרמי באמצעות צימוד מצבים כפולים וקירור לא ליניארי, ובכך להפחית משמעותית את הפלוקטו הלייזר הפונון.
פרופסור ניק Vamivakas, אחד המחברים המקבילים של המאמר, ושותפי הפעולה שלו הדגימו את הלייזר פונון בפעם הראשונה בשנת 2019. הם השתמשו בפינצטה אופטית כדי ללכוד ולהשהות ננו-חלקיקים בוואקום, והשיגו תנודה קוהרנטית של הפונונים באמצעות התנודות המכניות שלהם.
עם זאת, כדי להפוך את הטכנולוגיה הזו לשמישה למדידות-בדיוק גבוה, הם היו צריכים להתגבר על אתגר מרכזי-רעש, ההפרעה שמפריעה לקריאה מדויקת של אותות. בעיה זו קיימת גם בלייזרי פוטון וגם בלייזרי פונון.
"לייזר נראה בעין בלתי מזוינת כקרן אור יציבה, אבל למעשה יש מספר רב של תנודות, שיכולות להכניס רעש לתהליך המדידה". Nick Vamivakas הסביר, "השגנו דיכוי יעיל של תנודות לייזר פונון על ידי יישום אפנון צימוד פרמטרי על שני מצבי התנודה במערכת המתלים של פינצטה אופטית, בשילוב עם קירור פרמטרים לא ליניאריים."
איור זה מציג את מכשיר הליבה ואת העיקרון של הניסוי. (א) ממחיש את מערכת ההשעיה של פינצטה אופטית וכיצד להשיג צימוד-לשני מצבים באמצעות אפנון; (ב) מסביר את יצירת בארות פוטנציאל אסימטריות ואת מנגנון הצימוד הסיבובי; () מציג באופן חזותי את תהליך ההמרה של הפנון למטה- עם סכום של שני תדרים כתדר ההנעה דרך דיאגרמת רמת האנרגיה, שהיא הבסיס הפיזי להשגת דחיסת מצב -כפול.
פריצת הדרך המרכזית של צוות המחקר היא מימוש של דחיסה תרמו-מכאנית כפולה-: בשני מצבי הרטט האורתוגונליים של x ו-y של ננו-חלקיקי סיליקה תלויים (קוטר 100 ננומטר) בפינצטה אופטית, הסכום של שני תדרי המצבים משמש כתדר ההנעה עבור צימוד. במקביל, בשילוב עם קירור פרמטרים לא ליניארי, המערכת מיוצבת, דוחסת ישירות ומפחיתה את הרעש התרמי המובנה של לייזר פונון.
Nick Vamivakas אמר כי יכולת דיכוי רעש זו מאפשרת לדיוק מדידת התאוצה של המערכת לעלות על טכנולוגיות מדידת לייזר פוטון ותדר רדיו מסורתיות.
