硅基光力学纳米梁正在被激光冷却的艺术效果图。 （图片来源：Simon Hönl，IBM欧洲研究中心）

最近，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）和IBM欧洲研究中心的研究人员利用激光将一块纳米机械振荡器冷却至其零点能（在这一状态下该振荡器所含能量最低）。这一成功的实验作为特别报道发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并将在蓬勃发展的量子技术中大放异彩。

长久以来，不同科技领域的专业人员都在利用物体的声学属性（比如声学共振和机械振动）开发工具。比如，机械共振长期被人们用于处理信号或收集高精度测量数据。

究其根本，这些共振都遵循量子力学定律。未来，这些利用材料声学属性的技术也可能转而利用它们的量子力学特性，包括两种机械振动之间的纠缠和两种振动状态的叠加等。

参与这项研究的研究人员之一，Itay Shomroni教授对Phys.org表示：“这种进入量子领域的方式与其它量子技术类似，比如量子计算机。这类相对较大的物体的量子属性被外部环境的影响所掩盖，（这些影响中）最普遍的是热噪声——由有限温度引起的随机波动。”

为了构建一种有可能观察到量子力学效应的环境，研究人员首先需要排除由环境引起的噪声。这一点可以通过将机械振荡器冷却至它对应的最低能态，也就是所谓的基态来实现。

根据量子力学定律，处于基态的振荡器不会被冻结，而是仍含有一部分能量，即“零点能”。过去数十年间，许多研究团队利用一系列纳米和微米级的机械振荡器，已经不断逼近机械运动的基态，即零点能。

Shomroni表示，“一种方法是简单地将整个装置都冷却至极低的温度——千分之一开尔文；但这样不但增加了实验的复杂度，还会引入其它限制。我们一直致力于在数开尔文的操作环境中达到基态。”

在他们的研究中，Liu Qiu, Shomroni及其同事尝试利用激光致冷技术将一块纳米机械振荡器冷却至它的零点能。值得注意的是，他们能够实现极低的占有率（92%的基态占有率），这使得他们的系统非常接近量子场。

Shomroni解释道，“利用激光来冷却机械振荡器的运动，这乍一看不可思议。（其实）该技术广泛用于其它实验中。光作用在物体上的力被称作辐射压力。只要以正确的方式、沿与物体运动相反的方向施加这种力，就可以阻滞并冷却机械运动。”

实验中，机械振荡发生在一段长数微米、横断面尺寸为220 nm x 530 nm的硅纳米梁上。这段梁同时也是光室的一部分——研究人员会向其中发射激光脉冲。该系统中（机械）振荡和光压相互作用，并最终达到冷却的目的。

Shomroni补充道：“众所周知，由于物体的吸收作用，光同样可以加热物体。为了尽可能削弱吸收作用，我们用少量氦气包裹住振荡器，这样多余的热量便会很快耗散掉。”

Qiu, Shomroni及其同事利用基于激光致冷（原理）的方法，成功将一块纳米机械振荡器冷却至非常接近其零点能（的状态）。这一结果证明了利用激光和机械振动的共同作用来冷却机械物体的可行性。

研究人员还利用振荡器本身提供的无需校准的度量标准，在相同位置测量了系统的残余热能——也就是振荡器的（热量）吸收–释放比。这一特有的度量标准同样是（反映）振荡器量子属性的一个特征。

上述将量子系统冷却至基态的能力创造了新的可能，既推动了量子技术新的发展，又利于将来量子力学的研究。举例来讲，这一能力使得制造一台相对大的、处于量子叠加态（即“薛定谔的猫”的状态）的机械产品成为可能。

此外，这一能够将机械系统冷却至接近其零点能的方法的进一步发展，将在量子计算机上得到重要应用。供职于IBM的研究人员目前正尝试开发一套能够高效转换量子信息的设备，来将量子信息由超导量子比特转换为光子。

参与这项研究的另一位研究人员Paul Seidler向Phys.org谈到：“上述设备作为链接量子计算机的一种手段，能够基于超导量子比特和光纤电缆搭建一个量子网络并进一步扩展计算能力。迄今为止，最为成功的微波光学传导方法使用的媒介为一套机械系统；在这样的应用中，将机械系统冷却至其基态具有重大意义。”

EPFL-IBM联合研究团队计划在未来的工作中，将机械系统冷却至其零点能，并以一种新的有趣的方式来控制其运动。举例来讲，该团队希望挖掘他们提出的这一方法在产生各种奇异的量子态方面的潜力。

作者：Ingrid Fadelli

翻译：张宇哲

审校：董子晨曦

引进来源：美国物理学家组织网

引进链接：https://phys.org/news/2020-05-laser-cooling-nanomechanical-oscillator-ground.html


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