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

最近，來(lái)自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(jī)械振蕩器冷卻至其零點(diǎn)能（在這一狀態(tài)下該振蕩器所含能量最低）。這一成功的實(shí)驗(yàn)作為特別報(bào)道發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并將在蓬勃發(fā)展的量子技術(shù)中大放異彩。

長(zhǎng)久以來(lái)，不同科技領(lǐng)域的專業(yè)人員都在利用物體的聲學(xué)屬性（比如聲學(xué)共振和機(jī)械振動(dòng)）開發(fā)工具。比如，機(jī)械共振長(zhǎng)期被人們用于處理信號(hào)或收集高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。

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

參與這項(xiàng)研究的研究人員之一，Itay Shomroni教授對(duì)Phys.org表示：“這種進(jìn)入量子領(lǐng)域的方式與其它量子技術(shù)類似，比如量子計(jì)算機(jī)。這類相對(duì)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(jī)波動(dòng)?！?/p>

為了構(gòu)建一種有可能觀察到量子力學(xué)效應(yīng)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(diǎn)可以通過(guò)將機(jī)械振蕩器冷卻至它對(duì)應(yīng)的最低能態(tài)，也就是所謂的基態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)量子力學(xué)定律，處于基態(tài)的振蕩器不會(huì)被凍結(jié)，而是仍含有一部分能量，即“零點(diǎn)能”。過(guò)去數(shù)十年間，許多研究團(tuán)隊(duì)利用一系列納米和微米級(jí)的機(jī)械振蕩器，已經(jīng)不斷逼近機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基態(tài)，即零點(diǎn)能。

Shomroni表示，“一種方法是簡(jiǎn)單地將整個(gè)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(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，還會(huì)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(dá)到基態(tài)?！?/p>

在他們的研究中，Liu Qiu, Shomroni及其同事嘗試?yán)眉す庵吕浼夹g(shù)將一塊納米機(jī)械振蕩器冷卻至它的零點(diǎn)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(chǎng)。

Shomroni解釋道，“利用激光來(lái)冷卻機(jī)械振蕩器的運(yùn)動(dòng)，這乍一看不可思議。（其實(shí)）該技術(shù)廣泛用于其它實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)相反的方向施加這種力，就可以阻滯并冷卻機(jī)械運(yùn)動(dòng)?！?/p>

實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械振蕩發(fā)生在一段長(zhǎng)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(shí)也是光室的一部分——研究人員會(huì)向其中發(fā)射激光脈沖。該系統(tǒng)中（機(jī)械）振蕩和光壓相互作用，并最終達(dá)到冷卻的目的。

Shomroni補(bǔ)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(huì)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(jī)械振蕩器冷卻至非常接近其零點(diǎn)能（的狀態(tài)）。這一結(jié)果證明了利用激光和機(jī)械振動(dòng)的共同作用來(lái)冷卻機(jī)械物體的可行性。

研究人員還利用振蕩器本身提供的無(wú)需校準(zhǔn)的度量標(biāo)準(zhǔn)，在相同位置測(cè)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(biāo)準(zhǔn)同樣是（反映）振蕩器量子屬性的一個(gè)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(dòng)了量子技術(shù)新的發(fā)展，又利于將來(lái)量子力學(xué)的研究。舉例來(lái)講，這一能力使得制造一臺(tái)相對(duì)大的、處于量子疊加態(tài)（即“薛定諤的貓”的狀態(tài)）的機(jī)械產(chǎn)品成為可能。

此外，這一能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)冷卻至接近其零點(diǎn)能的方法的進(jìn)一步發(fā)展，將在量子計(jì)算機(jī)上得到重要應(yīng)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(shè)備，來(lái)將量子信息由超導(dǎo)量子比特轉(zhuǎn)換為光子。

參與這項(xiàng)研究的另一位研究人員Paul Seidler向Phys.org談到：“上述設(shè)備作為鏈接量子計(jì)算機(jī)的一種手段，能夠基于超導(dǎo)量子比特和光纖電纜搭建一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)一步擴(kuò)展計(jì)算能力。迄今為止，最為成功的微波光學(xué)傳導(dǎo)方法使用的媒介為一套機(jī)械系統(tǒng)；在這樣的應(yīng)用中，將機(jī)械系統(tǒng)冷卻至其基態(tài)具有重大意義?！?/p>

EPFL-IBM聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來(lái)的工作中，將機(jī)械系統(tǒng)冷卻至其零點(diǎn)能，并以一種新的有趣的方式來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。舉例來(lái)講，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)來(lái)源：美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)

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


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