洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员实现在室温下控制量子现象

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员克服了长期以来需要极冷环境的障碍，在室温下控制量子现象，实现了量子力学的一个里程碑。这为量子技术应用和宏观量子系统研究开辟了新的可能性。在量子力学领域，在室温下观测和控制量子现象的能力长期以来一直难以实现，尤其是在大尺度或"宏观"尺度上。

操作装置的概念图，由两个周期性分割的镜子夹着一个装有纳米柱的鼓组成，使激光能在室温下与鼓产生强烈的量子力学相互作用。图片来源：EPFL 和第二湾工作室

传统上，这种观测只能在接近绝对零度的环境中进行，因为那里的量子效应更容易被探测到。然而，对极冷环境的要求一直是一个主要障碍，限制了量子技术的实际应用。

现在，EPFL 的托比亚斯-基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）和尼尔斯-约翰-恩格尔森（Nils Johan Engelsen）领导的一项研究重新定义了可能的界限。这项开创性工作融合了量子物理学和机械工程，实现了对室温下量子现象的控制。

基彭伯格说："几十年来，实现室温量子光力学一直是一个公开的挑战。我们的工作有效地实现了海森堡显微镜--长期以来一直被认为只是一个理论玩具模型。"

在今天（2 月 14 日）发表在《自然》杂志上的实验装置中，研究人员创建了一个超低噪声光机械系统--一种光与机械运动相互连接的装置，使他们能够高精度地研究和操纵光如何影响移动物体。

晶体状空腔镜，中间是鼓。图片来源：Guanhao Huang/EPFL

室温的主要问题是热噪声，它会干扰微妙的量子动力学。为了最大限度地减少热噪声，科学家们使用了空腔镜，这是一种专门的反射镜，能在密闭空间（空腔）内来回反弹光线，有效地"捕获"光线，并增强光线与系统中机械元件的相互作用。为了减少热噪声，这些镜子采用了类似晶体的周期性（"声子晶体"）结构。

另一个关键部件是一个 4 毫米的鼓状装置，称为机械振荡器，它在空腔内与光相互作用。它相对较大的尺寸和设计是将其与环境噪声隔离开来的关键，这使得在室温下探测微妙的量子现象成为可能。恩格尔森说："我们在这项实验中使用的鼓是多年努力的结晶，目的是制造出与环境隔离良好的机械振荡器。"

"我们用来处理难缠的复杂噪声源的技术，对更广泛的精密传感和测量领域具有重要意义和影响，"领导该项目的两名博士生之一黄冠豪说。

这种量子现象是指通过操纵光的某些特性，如强度或相位，来减少一个变量的波动，而以增加另一个变量的波动为代价，正如海森堡原理所规定的那样。

通过在他们的系统中演示室温下的光学挤压，研究人员表明，他们可以有效地控制和观察宏观系统中的量子现象，而无需极低的温度。研究小组认为，该系统在室温下运行的能力将扩大量子光机械系统的使用范围，而量子光机械系统是量子测量和量子力学在宏观尺度上的既定试验平台。

领导这项研究的另一名博士生阿尔贝托-贝卡里（Alberto Beccari）补充说："我们开发的系统可能会促进新的混合量子系统，在这种系统中，机械鼓与不同的物体（如被困的原子云）发生强烈的相互作用。这些系统对量子信息非常有用，有助于我们了解如何创建大型复杂量子态。"

编译来源：ScitechDaily