激光助力：将晶体振动降温至量子基态的突破

耶鲁大学的研究人员利用新技术展示了使用激光将大物体内的量子化声振动冷却到量子基态的能力，这是量子力学中允许的最低能量。这个突破可能会对通信、量子计算等领域带来积极影响。 研究结果 发表在《自然物理学》期刊上。

由彼得·拉基赫教授领导的研究团队使用微尺度的水晶石英谐振器，展示了他们可以利用光在这些宏观机械物体中控制振动，达到量子水平。拉基赫指出，在量子领域，‘巨大的’这个词是相对的。

在这种情况下，声波运动中的材料是10微克，也就是一个比沙粒稍小的物体。然而，在原子尺度上，这对应于以量子相干方式运动的数量庞大的原子（100万亿个）。

这是一个重大的进展，因为之前使用光来控制量子级别运动的方法仅限于约百万倍小的物体。这个系统的较大规模非常重要，因为它的尺寸增大意味着相干时间更长——即量子信息在衰减之前能够保持其量子特性的持续时间。

增加相干时间是量子科学家面临的一个关键挑战，也是制造实用量子计算机的障碍之一。在这种情况下，尺寸的增大意味着相干时间更长，因为表面上的原子比例较小，而表面环境可能会变得复杂（即使在量子标准下也很复杂）。

“控制发生在表面上的各种相互作用是非常困难的，”应用物理学的Rakich教授（Donna Dubinsky）说。这就是为什么Rakich实验室的方法如此有效——通过使用光来激发晶体内部的声波，他们大大减少了表面相互作用，有效保护了这个系统，避免了不必要的量子退相干。

哈盖·迪阿曼迪，拉基赫实验室的前博士后研究员和论文的主要作者，指出该系统提供了优异的材料性能，而没有传统方法的许多缺点。

迪阿曼迪现在是希伯来大学的助理教授，他说：“微尺度谐振器的结构对不必要的加热具有很强的抗性，让这个系统更容易作为量子存储器使用。”

其他实验室之前已经创建了支持体声子的晶体谐振器，但它们的设计主要是为了与电信号相互作用，通常只能获取到频率更低的声子。

“我们开发了一种全新的体声谐振器，可以利用光来获取非常高频的声子，”Rakich说。

他们能够利用一种称为光学法布里-珀罗谐振器的设备来增强光与谐振器内巨型声子之间的互动，这种设备利用高反射镜来增强晶体谐振器中的光场。

通过这个系统，他们能够使用激光将这些物体内的量子振动（或声子）冷却到最低能量状态。这样一来，他们就能稳定声子，并提升它们的量子特性。

“拥有一个能够精确控制声子的系统，同时保持其独特性质，为推动量子研究领域带来了令人兴奋的可能性，”Diamandi表示。

更多信息： Hilel Hagai Diamandi 等，量子领域中长寿命的体声子的光机械控制，自然杂志（2025）。 DOI: 10.1038/s41567-025-02989-4