研究人員利用壓縮光實現量子鼓

導讀： 研究人員在位于科羅拉多的美國國家標準與技術研究所（NIST）進行的這項工作，表示說這項冷卻技術可廣泛應用到范圍包括量子計算機或高精度傳感器等應用上。

美國的物理學家已經冷卻一個微觀的鋁鼓至接近絕對零，這比以前所認為的溫度更低。研究人員在位于科羅拉多的美國國家標準與技術研究所（NIST）進行的這項工作，表示說這項冷卻技術可廣泛應用到范圍包括量子計算機或高精度傳感器等應用上。

這種鋁鼓其尺寸為20微米的直徑和100 納米的厚度，被嵌入在一個芯片中作為超導電路的一部分，美國國家標準與技術研究所的John Teufel解釋說。為了冷卻這個鋁鼓，研究人員首先將電路放進真空室，在37毫開爾文溫度下，然后利用電路進行微波循環。微波光子撞擊了鋁鼓中的原子，并獲取了原子的一些動量。因此，通過減慢原子的熱運動，光子將鼓的溫度降低到360微開爾文溫度。

Teufel指出，在這個實驗中，溫度的定義不同于一般意義上的熱力學定義。當他們說，他們已經達到了360微開爾文，這并不意味著原子幾乎靜止。相反，鼓是能夠在一定頻率范圍內振動的，但在他們的實驗中，他們已經限制了它只在最低頻率處震動。

多年來，物理學家利用光子來冷卻物理系統，包括光腔中的原子、分子甚至反射鏡。但是由于海森堡的不確定原理，光子的冷卻能力總是受到噪聲的限制。Teufel解釋說，總體而言，光子會從鋁鼓結構中獲取動量，偶爾它們也會由于量子漲落的原因出現“混亂撞擊”的現象。人們一直認為，當光子被用來冷卻時，就會產生這種噪聲，它會阻止利用光子冷卻超過一個特定的溫度，稱為“量子極限”。

他的研究團隊的創新是，Teufel解釋說，是找出如何擺脫噪聲從而超過量子極限。研究人員通過使用一種特殊類型的被稱為壓縮光的光來實現這一目標.。

壓縮光是利用工程上的不確定性質的光。所有光子都服從不確定性原理。例如，你越了解光子的位置，你就越不能知道它的動量。雖然物理學家永遠無法擺脫這種根本的不確定性，他們已經想通了，他們可以重新分配它。例如，如果他們想更精確地了解光子的位置，他們可以犧牲動量測量的精度。

Teufel領導的研究小組對一個光子的強度和相位之間的不確定性進行重新分配，使得光子以協調的方式進行擊中鋁鼓材料用來消除隨機噪聲。他謹慎地指出，他們沒有違反量子力學的規則。“我們只是巧妙地使用規則，”他說。這種技術可以在理論上是很酷的一個目標“任意接近”絕對零度，這意味著在達到絕對零度是不可能的，實驗者可以朝著光子的量子噪聲約束這個目標慢慢接近。

這個水平的冷卻意味著他們可以觀察到由于量子效應而產生的鼓的震動，這通常會在熱運動下被淹沒。此外，Teufel說，冷卻技術可以用來制造超靈敏的探測器，如壓力傳感器或磁場傳感器。“你可以非常敏感地測量任何在鋁鼓材料上的變化，”他說。

Teufel也希望在量子計算中使用的這種鋁鼓結構。例如，量子信息可以被編碼為一個在鼓膜上的持久的振動。這些振動可以用作信息存儲。

“這項工作是令人興奮的，因為這個領域的大多數人以為他們被量子噪聲永遠的阻擋了，”加拿大麥克吉爾大學的Aashish Clerk說，他沒有參與這項工作。超越量子極限，Teufel研究團隊真的實現了不一樣的研究。“沒有人有任何直覺的理由認為[壓縮光]實際上會做什么，”Clerk說。他第一次聽到研究人員在會議上談到這個技術。

這項研究已經發表在《自然》雜志上。