硅基光力學納米梁正在被激光冷卻的藝術效果圖。 （圖片來源：Simon H?nl，IBM歐洲研究中心）

最近，來自洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）和IBM歐洲研究中心的研究人員利用激光將一塊納米機械振蕩器冷卻至其零點能（在這一狀態(tài)下該振蕩器所含能量最低）。這一成功的實驗作為特別報道發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并將在蓬勃發(fā)展的量子技術中大放異彩。

長久以來，不同科技領域的專業(yè)人員都在利用物體的聲學屬性（比如聲學共振和機械振動）開發(fā)工具。比如，機械共振長期被人們用于處理信號或收集高精度測量數(shù)據(jù)。

究其根本，這些共振都遵循量子力學定律。未來，這些利用材料聲學屬性的技術也可能轉(zhuǎn)而利用它們的量子力學特性，包括兩種機械振動之間的糾纏和兩種振動狀態(tài)的疊加等。

參與這項研究的研究人員之一，Itay Shomroni教授對Phys.org表示：“這種進入量子領域的方式與其它量子技術類似，比如量子計算機。這類相對較大的物體的量子屬性被外部環(huán)境的影響所掩蓋，（這些影響中）最普遍的是熱噪聲——由有限溫度引起的隨機波動?！?/p>

為了構建一種有可能觀察到量子力學效應的環(huán)境，研究人員首先需要排除由環(huán)境引起的噪聲。這一點可以通過將機械振蕩器冷卻至它對應的最低能態(tài)，也就是所謂的基態(tài)來實現(xiàn)。

根據(jù)量子力學定律，處于基態(tài)的振蕩器不會被凍結，而是仍含有一部分能量，即“零點能”。過去數(shù)十年間，許多研究團隊利用一系列納米和微米級的機械振蕩器，已經(jīng)不斷逼近機械運動的基態(tài)，即零點能。

Shomroni表示，“一種方法是簡單地將整個裝置都冷卻至極低的溫度——千分之一開爾文；但這樣不但增加了實驗的復雜度，還會引入其它限制。我們一直致力于在數(shù)開爾文的操作環(huán)境中達到基態(tài)。”

在他們的研究中，Liu Qiu, Shomroni及其同事嘗試利用激光致冷技術將一塊納米機械振蕩器冷卻至它的零點能。值得注意的是，他們能夠?qū)崿F(xiàn)極低的占有率（92%的基態(tài)占有率），這使得他們的系統(tǒng)非常接近量子場。

Shomroni解釋道，“利用激光來冷卻機械振蕩器的運動，這乍一看不可思議。（其實）該技術廣泛用于其它實驗中。光作用在物體上的力被稱作輻射壓力。只要以正確的方式、沿與物體運動相反的方向施加這種力，就可以阻滯并冷卻機械運動?！?/p>

實驗中，機械振蕩發(fā)生在一段長數(shù)微米、橫斷面尺寸為220 nm x 530 nm的硅納米梁上。這段梁同時也是光室的一部分——研究人員會向其中發(fā)射激光脈沖。該系統(tǒng)中（機械）振蕩和光壓相互作用，并最終達到冷卻的目的。

Shomroni補充道：“眾所周知，由于物體的吸收作用，光同樣可以加熱物體。為了盡可能削弱吸收作用，我們用少量氦氣包裹住振蕩器，這樣多余的熱量便會很快耗散掉?！?/p>

Qiu, Shomroni及其同事利用基于激光致冷（原理）的方法，成功將一塊納米機械振蕩器冷卻至非常接近其零點能（的狀態(tài)）。這一結果證明了利用激光和機械振動的共同作用來冷卻機械物體的可行性。

研究人員還利用振蕩器本身提供的無需校準的度量標準，在相同位置測量了系統(tǒng)的殘余熱能——也就是振蕩器的（熱量）吸收–釋放比。這一特有的度量標準同樣是（反映）振蕩器量子屬性的一個特征。

上述將量子系統(tǒng)冷卻至基態(tài)的能力創(chuàng)造了新的可能，既推動了量子技術新的發(fā)展，又利于將來量子力學的研究。舉例來講，這一能力使得制造一臺相對大的、處于量子疊加態(tài)（即“薛定諤的貓”的狀態(tài)）的機械產(chǎn)品成為可能。

此外，這一能夠?qū)C械系統(tǒng)冷卻至接近其零點能的方法的進一步發(fā)展，將在量子計算機上得到重要應用。供職于IBM的研究人員目前正嘗試開發(fā)一套能夠高效轉(zhuǎn)換量子信息的設備，來將量子信息由超導量子比特轉(zhuǎn)換為光子。

參與這項研究的另一位研究人員Paul Seidler向Phys.org談到：“上述設備作為鏈接量子計算機的一種手段，能夠基于超導量子比特和光纖電纜搭建一個量子網(wǎng)絡并進一步擴展計算能力。迄今為止，最為成功的微波光學傳導方法使用的媒介為一套機械系統(tǒng)；在這樣的應用中，將機械系統(tǒng)冷卻至其基態(tài)具有重大意義。”

EPFL-IBM聯(lián)合研究團隊計劃在未來的工作中，將機械系統(tǒng)冷卻至其零點能，并以一種新的有趣的方式來控制其運動。舉例來講，該團隊希望挖掘他們提出的這一方法在產(chǎn)生各種奇異的量子態(tài)方面的潛力。

作者：Ingrid Fadelli

翻譯：張宇哲

審校：董子晨曦

引進來源：美國物理學家組織網(wǎng)

引進鏈接：https://phys.org/news/2020-05-laser-cooling-nanomechanical-oscillator-ground.html


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情
?