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超出“量子极限”的机械运动

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  科罗拉多大学科学家开发了一种新技术,使用同步机电放大和冷却过程来测量机械运动,其研究方法发表在《物理评论快报》期刊上,能对机械振荡器的位置进行几乎无噪音测量,目前为止,使用替代技术来测量运动是很困难的。进行这项研究的研究人员之一罗伯特·德莱尼(Robert Delaney)说:我们的研究有两个原因,首先正在使用这些机械系统在微波域和光域之间有效地转换信号。

  

  这两个不同频段之间的信号转换,对于联网未来的量子计算机或建立量子互联网的等价物非常重要。世界各地的许多研究小组,目前正试图开发真正量子运动状态下的宏观机械振荡器,用于实际应用,例如力传感,以及更大尺度上的量子力学测试。在这两种情况下,表征和测量机械振荡器在量子力学施加限制下的运动将至关重要。

  除了使微波和光域之间的信号转换成为可能,德莱尼和同事们还想找出一种方法来测量超出量子极限的这种运动。为了实现这一点,修改了一种被称为反向动作规避测量的技术。多年来,反作用回避测量一直被认为是最有前途的单正交运动测量技术之一,但至今取得的结果并不令人满意。通过机械振荡器与微波(或光学)腔的相互作用,回动规避测量理论上能够实现机械振荡器位置的无声测量。

  

  在实践中,这一直很难实现,因为微波场(或光学)场和机械振荡器之间额外相互作用导致机械运动的不稳定,这阻碍了连续测量。为了克服与机械运动中的这些不稳定性相关问题,研究人员修改了传统反作用回避方案。以便故意在机械振荡器中引起不稳定性,这最终使研究人员能够收集振荡器运动的脉冲测量。通过将两个微波频率泵应用到被机械振荡器谐振频率失谐的微波谐振器上,可以增强机械振荡器与微波场的相互作用。

  

  一个微波音调为红色失谐,或低于微波腔的谐振频率,而另一个音调为蓝色失谐,或高于微波腔的共振频率。研究人员使用的红色失谐泵通过微波场冷却机械振荡器,其方式类似于激光冷却技术冷却原子的方式。另一方面,蓝色失谐泵通过不断地从微波场向振荡器添加能量来放大机械振荡器的运动。蓝色失谐的泵比红色的大,当以净放大的方式组合时,这两个不同过程干扰并放大机械振荡器的位置或动量(即,取决于泵的相位),几乎没有噪声。

  

  研究人员用来描述运动的两个正交分量只是机械振荡器位置和动量的无量纲版本。这项技术的主要优点是,它可以几乎无噪音地测量单个运动的正交,并且在表征脆弱的量子运动状态时,即使是少量的附加噪声也会使感兴趣的状态变得模糊。要完全表征运动的量子状态,需要执行量子状态层析成像,而这些状态重建技术的理想测量是无噪声单正交测量。

  

  机械振荡器用于几个物理子领域,例如在更大尺度上研究量子力学、量子有限力传感和量子信息时。因此,研究人员开发的这项技术可能对各种物理研究产生重要影响。在这项研究工作中,展示了对机械振荡器位置的几乎无噪音测量,这是以前使用的技术,如反向动作回避测量或外部参数放大,很难实现的。研究还证明了瞬态机电放大可以用于仔细表征量子压缩态,这是使用压缩增强力传感的先决条件。

  

  在未来,这个研究团队引入的测量机械运动的方法可以为物理研究开辟新的视野,并为新工具的开发铺平道路,包括力传感技术和连接量子计算机的技术。此外,该方法可以理想地表征在更奇异的量子态下制备机械振荡器,例如叠加态或猫态,这是物理学领域长期寻求的目标。现在的重点是使用机电/光机械系统进行微波到光的转换,当与其他量子计算组件(如超导量子比特)集成时,可以使用这种技术来测量这个系统中机械振荡器的运动,以验证是否产生了量子态。

  博科园|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys

  参考期刊《物理评论快报》

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