矽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 Hönl，IBM歐洲研究中心）

最近，來自洛桑聯邦理工學院（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（在這一狀態下該振蕩器所含能量最低）。這一成功的實驗作為(wei) 特別報道發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，並將在蓬勃發展的量子技術中大放異彩。

長久以來，不同科技領域的專(zhuan) 業(ye) 人員都在利用物體(ti) 的聲學屬性（比如聲學共振和機械振動）開發工具。比如，機械共振長期被人們(men) 用於(yu) 處理信號或收集高精度測量數據。

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而利用它們(men) 的量子力學特性，包括兩(liang) 種機械振動之間的糾纏和兩(liang) 種振動狀態的疊加等。

參與(yu) 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(yu) 其它量子技術類似，比如量子計算機。這類相對較大的物體(ti) 的量子屬性被外部環境的影響所掩蓋，（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。”

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

根據量子力學定律，處於(yu) 基態的振蕩器不會(hui) 被凍結，而是仍含有一部分能量，即“零點能”。過去數十年間，許多研究團隊利用一係列納米和微米級的機械振蕩器，已經不斷逼近機械運動的基態，即零點能。

Shomroni表示，“一種方法是簡單地將整個(ge) 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複雜度，還會(hui) 引入其它限製。我們(men) 一直致力於(yu) 在數開爾文的操作環境中達到基態。”

在他們(men) 的研究中，Liu Qiu, Shomroni及其同事嚐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(men) 能夠實現極低的占有率（92%的基態占有率），這使得他們(men) 的係統非常接近量子場。

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）該技術廣泛用於(yu) 其它實驗中。光作用在物體(ti) 上的力被稱作輻射壓力。隻要以正確的方式、沿與(yu) 物體(ti) 運動相反的方向施加這種力，就可以阻滯並冷卻機械運動。”

實驗中，機械振蕩發生在一段長數微米、橫斷麵尺寸為(wei) 220 nm x 530 nm的矽納米梁上。這段梁同時也是光室的一部分——研究人員會(hui) 向其中發射激光脈衝(chong) 。該係統中（機械）振蕩和光壓相互作用，並最終達到冷卻的目的。

Shomroni補充道：“眾(zhong) 所周知，由於(yu) 物體(ti) 的吸收作用，光同樣可以加熱物體(ti) 。為(wei) 了盡可能削弱吸收作用，我們(men) 用少量氦氣包裹住振蕩器，這樣多餘(yu) 的熱量便會(hui) 很快耗散掉。”

Qiu, Shomroni及其同事利用基於(yu) 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）。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(ti) 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，在相同位置測量了係統的殘餘(yu) 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(ge) 特征。

上述將量子係統冷卻至基態的能力創造了新的可能，既推動了量子技術新的發展，又利於(yu) 將來量子力學的研究。舉(ju) 例來講，這一能力使得製造一台相對大的、處於(yu) 量子疊加態（即“薛定諤的貓”的狀態）的機械產(chan) 品成為(wei) 可能。

此外，這一能夠將機械係統冷卻至接近其零點能的方法的進一步發展，將在量子計算機上得到重要應用。供職於(yu) IBM的研究人員目前正嚐試開發一套能夠高效轉換量子信息的設備，來將量子信息由超導量子比特轉換為(wei) 光子。

參與(yu) 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(wei) 鏈接量子計算機的一種手段，能夠基於(yu) 超導量子比特和光纖電纜搭建一個(ge) 量子網絡並進一步擴展計算能力。迄今為(wei) 止，最為(wei) 成功的微波光學傳(chuan) 導方法使用的媒介為(wei) 一套機械係統；在這樣的應用中，將機械係統冷卻至其基態具有重大意義(yi) 。”

EPFL-IBM聯合研究團隊計劃在未來的工作中，將機械係統冷卻至其零點能，並以一種新的有趣的方式來控製其運動。舉(ju) 例來講，該團隊希望挖掘他們(men) 提出的這一方法在產(chan) 生各種奇異的量子態方麵的潛力。

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

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


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