激光冷却纳米机械振荡器接近其基态

瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 和 IBM 欧洲研究院的研究人员最近演示了将纳米机械振荡器激光冷却到零点能量(即，它包含最小能量的点)。他们在《物理评论快报》中的成功演示可能对量子技术的发展产生重要影响。

长期以来，专门从事不同科学和技术领域的研究人员一直在开发利用物体声学特性(例如声学共振或机械振动)的工具。例如，机械共振长期以来一直用于处理信号或用于收集高精度测量值。

在更基本的层面上，这些共振遵循量子力学定律。因此，利用材料声学特性的未来技术也可以利用它们的量子力学特性，例如两种机械振动之间的纠缠或两种振动状态的叠加。

“这种进入量子体系与其他量子技术(例如量子计算机)相似，”进行这项研究的研究人员之一 Itay Shomroni 博士告诉 Phys.org。“这些相对较大物体的量子性质被来自环境的外部影响所掩盖，其中最普遍的是热噪声——由于有限温度引起的随机波动。”

为了达到可以观察量子力学效应的状态，研究人员首先必须消除环境影响产生的噪音。这可以通过将机械振荡器冷却到其可能的最低能态(称为基态)来实现。

由于量子力学定律，振荡器在其基态时不会冻结，而是包含最小量的能量，即所谓的“零点能量”。使用各种纳米和微机械振荡器，越来越接近将机械运动带到基态，从而达到零点能量。

“一种方法是简单地将整个装置冷却到毫开尔文范围内的极低温度，”Shomroni 说，“但这增加了实验的复杂性并引入了其他限制。我们也一直致力于达到基态冷却在我们以几个开尔文运行的系统中。”

在他们的研究中，刘秋、Shomroni 和他们的同事试图使用激光冷却技术将纳米机械振荡器冷却到零点能量。值得注意的是，他们能够达到极低的占有率(即 92% 的基态占有率)，将系统推向更深的量子体系。

“我们使用激光来冷却机械振荡器的运动，这乍一看似乎令人惊讶，”Shomroni 解释说。“这是一种众所周知的技术，也用于其他实验。光对物质施加一种称为辐射压力的力。这种力可用于阻尼和冷却机械运动，前提是它应用正确，与速度相反对象。”

在实验中，机械振动发生在几微米长、横截面为 220 nm x 530 nm 的硅纳米梁的截面中。该部分还构成了研究人员向其中注入激光束的光学腔的一部分。该系统中的振动和光压是相互依赖的，因此，它们以最终冷却系统的方式相关。

“正如我们所知，光也可以加热物体，因为它被吸收了，”Shomroni 说。“为了尽量减少吸收的影响，我们用少量氦气包围了我们的振荡器，以便多余的热量可以快速消散。”

Qiu、Shomroni 和他们的同事使用他们基于激光冷却的方法能够冷却纳米机械振荡器，非常接近其零点能量。他们取得的结果证明了利用激光技术与机械振动的相互作用来冷却机械物体的方法的有效性。

研究人员还使用振荡器本身提供的免校准指标，即其吸收率和发射率之比，原位测量了系统中的残余热能。这个特定的度量也被称为振荡器的量子性质的特征。

将量子系统冷却到其基态的能力可以为新量子技术的开发和量子力学的进一步研究开辟新的可能性。例如，这种能力可以在称为薛定谔猫态的量子叠加态中创建一个相对较大的机械物体。

此外，开发一种可以使机械系统更接近其零点能量的方法可能对量子计算具有重要意义。IBM 的研究人员目前正在尝试开发能够有效转换量子信息的设备，将其从超导量子位转换为光子。

“这种设备将作为一种将基于超导量子位的量子计算机与光纤电缆连接起来的一种手段，以创建一个量子网络并进一步扩展计算能力，”另一位进行这项研究的研究员 Paul Seidler 告诉 Phys.org。迄今为止，最成功的微波光转导方法是利用机械系统作为中介。对于这种应用，将机械系统初始化为基态的能力至关重要。”

在未来的工作中，EPFL-IBM 团队计划使用其将机械系统冷却到零点能量的技术，以新的有趣方式控制它们的运动。例如，研究人员想探索他们的方法在产生各种奇异量子态方面的潜力。

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