Opto-Mechanical Quantum State Engineering

Ziel des Projektes ist die optische Präparation, Detektion, Manipulation und der Transfer von Quantenzuständen eines mechanischen Systems. Dies wird durch eine spezifische Kombination von Methoden aus den Gebieten der Quantenoptik, Quanteninformation sowie der Mikro-Fabrikation erreicht. Die grundlegende Idee ist, die optomechanische Kopplung von massiven, mikrometer-großen Spiegeln innerhalb von optischen Resonatoren hoher Güte in Verbindung mit neuartigen passiven Laserkühl-Mechanismen und Postselektions-Methoden aus der Quanteninformationsverarbeitung auszunützen. Das führt dazu, dass experimentelle Anforderungen im Vergleich zu anderen Ansätzen drastisch verringert werden. Entgegen des bisherigen Glaubens werden weder nicht-klassische optische Anfangszustände noch Umgebungstemperaturen im Bereich des mechanischen Grundzustandes benötigt. Die aktuelle Technologie ist ausreichend, um die vorgeschlagenen Ziele innerhalb von zwei Jahren zu erreichen. Die Kontrolle über den Quantenzustand solcher Systeme ist nicht nur relevant für grundlegende Aspekte der Quantenphysik sondern öffnet auch neue Wege und aufregende Möglichkeiten für die Quanteninformationsverarbeitung in Festkörpersystemen.

Quanten-Optomechanik ist in kurzer Zeit zu einem neuen Forschungsfeld herangewachsen, das den Effekt von Strahlungsdruck in optischen Resonatoren nutzt, um das Quantenregime von nano- und mikromechanischen Systemen zu erreichen und zu kontrollieren. Das Projekt OPTOMECH war weltweit eines der ersten Projekte zum Thema "Quanten-Optomechanik" und wahrscheinlich das erste überhaupt, das sich explizit zum Ziel gesetzt hat, die Quantenaspekte mikro- und nano-optomechanischer Wechselwirkungen experimentell zu untersuchen. Die Resultate von OPTOMECH haben signifikant zum "state-of-the-art" im Forschungsfeld beigetragen. Dazu gehören die weltweit erste Laserkühlung eines mechanischen Objekts in einem kryogenen optischen Resonator, die Laserkühlung dieses Objekts zu einer Weltrekord-Temperatur von nur wenigen mK, d.h. nur 30 thermische Quanten oberhalb des ultimativen Quantenlimits der Bewegung, sowie der ersten Demonstration des starken Kopplungsregimes zwischen Licht und einem mikromechanischen Spiegel. Diese Ergebnisse sind wichtig und wegweisend für zukünftige Quantenexperimente mit massiven mechanischen Objekten.