Quantum-Opto-Mechanics

Wir haben kürzlich das Prinzip der Laserkühlung eines mikromechanischen Spiegels durch Strahlungsdruck als ersten Schritt zum Erreichen des quantenmechanischen Grundzustandes eines solchen Systems demonstriert. Das hier vorgeschlagene Forschungsprogramm zielt darauf ab, das Potenzial mikro- und nanomechanischer Systeme im Quantenregime für neuartige Quantenexperimente auszuschöpfen. Die größte Neuerung der vorgeschlagenen Forschung liegt darin, in einen bislang unerreichten Parameterbereich im Hinblick auf Größe und Komplexität vorstoßen zu können. Mechanische Resonatoren sind Quantensysteme, die bis zu 10 (!) Größenordnungen schwerer sind als bislang im Experiment erreichbare Quantensysteme. Außerdem bieten die Fabrikationsmethoden für integrierte "on-chip" Architekturen die Möglichkeit, neue komplexe Quantennetzwerke wechselwirkender Systeme zu verwirklichen. Mit der Herstellung von quantenmechanischer Verschränkung mit Überlagerungszuständen massiver mechanischer Systeme (Schrödingers Katze) werden wir die Frage nach dem Übergang von der Quantenphysik zur klassischen Physik untersuchen. Das beinhaltet auch systematische Studien der Dekohärenz and explizite Tests von alternativen Theorien zur Quantenphysik. Intrinsische Verlustmechanismen in mechanischen Systemen werden es erlauben, fundamentale Fragen der Festkörperphysik im neuen Licht zu untersuchen. Mit der Anpassung der quantenmechanischen Verschränkung an die Anforderungen der Quanteninformationsverarbeitung, beispielsweise durch Demonstration von "quantum state transfer" und Quantenteleportation, wird der Weg für den Gebrauch mechanischer Systeme in hybriden Ansätzen zur Quanteninformationsverarbeitung geebnet. Ein langfristiges Ziel ist es, mechanische Resonatoren an andere Quantensysteme zu koppeln, beispielsweise Atome auf einem Chip. Mit dem Design von integrierten "on-chip" mechanischen Systemen werden wir den ersten Schritt in Richtung Aufbau einer komplexen Quantenarchitektur beliebiger Hierarchie gehen, um zukünftig Verschränkung in komplexen Systemen untersuchen zu können. Das Projekt vereint auf eine neue Art und Weise gut etablierte experimentelle und theoretische Methoden und Technologien der Quantenoptik, Quanteninformation, Nanofabrikation und Kryogenik, um (einzelne und komplexe) Quantenzustände mechanischer Systeme zu erzeugen und zu kontrollieren. Neben den Beiträgen zu fundamentalen Fragen über makroskopische Quantenphänomene, speziell die faszinierende Frage, ob die Quantentheorie auch noch für das makroskopische System korrekt ist, ist die Erforschung von Verschränkung mechanischer Systeme von direkter Bedeutung für (hybride) Quanteninformationsverarbeitung. Darüber hinaus ist die Entwicklung optomechanischer Systeme hoher Güte von direkter Relevanz für hochempfindliche Messmethoden, wie sie zum Beispiel in Gravitationswelleninterferometern oder optischen Frequenzstandards verwendet werden, da dort mechanische Verluste optischer Beschichtungen ein fundamentales Limit der Auflösung dieser Methoden darstellen.

Quantenoptomechanik ist ein junges und schnell wachsendes Forschungsgebiet, das an der Schnittstelle zwischen Quantenoptik, Quanteninformation und Festkörperphysik angesiedelt ist. Die hauptsächlich durch Lichtdruck verursachte Wechselwirkung zwischen Licht und mikro- und nanomechanischen Objekten eröffnet neue Perspektiven für Anwendung und Grundlagenforschung: von integrierten Siliziumchips für optische Informationsverarbeitung über neuartige hybride Architekturen für Quanteninformationsanwendungen bis hin zu fundamentalen Experimenten an der Schnittstelle zwischen Quantenphysik und Gravitation. Einige Meilensteine in der aktuellen Forschung wurden im Rahmen des START-Projekts "Quantenoptomechanik (QOM)" gesetzt. So zum Beispiel der erste Nachweis starker Kopplung zwischen dem Lichtfeld eines optischen Resonators und einem mikromechanischem Spiegel (Nature 2009), oder, in Zusammenarbeit mit Caltech, die erste Demonstration von Laserkühlung eines mikromechanischen Hebels in den Quantengrundzustand seiner Bewegung (Nature 2011). Ein weiteres Highlight ist die Übertragung des Konzepts von wechselwirkungsfreien Quantenmessungen auf massive mechanische Objekte durch gepulste Messungen - eine Idee, die wir kürzlich auch experimentell bestätigen konnten (Nature Communications 2013). Diese Ergebnisse sind wichtige Voraussetzungen, um die volle Quantenkontrolle über mechanische Objekte zu erlangen. Die Erforschung optomechanischer Eigenschaften von optischen Beschichtungen hat zur Entwicklung einer neuen Beschichtungstechnologie geführt, die optische Präzisionsmessungen noch genauer macht (Nature Photonics 2013). Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts war schließlich die Erforschung des Zusammenspiels zwischen Quantenphysik und Gravitation. Gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern haben wir Vorschläge für Quantenexperimente entwickelt, bei denen die Masse des Quantensystems eine signifikante Rolle spielt. Diese Experimente erlauben den Test verschiedenster Theorien, von sogenanten Kollapsmodellen bis hin zu Vorhersagen der Quantengravitation (Nature Physics 2012).