科学家打造无噪声声子激光器，助力解锁量子指南针

声子激光器有望用于制造比射频设备更小、更快、更节能的微芯片。

罗切斯特大学和罗切斯特理工学院的科学家研发出一种压缩声子激光器，有望帮助开发"无法干扰"的导航系统，并深入探索纠缠等量子现象。

激光器自20世纪60年代首次发明以来，为研究和实际应用开辟了新途径。从矫正视力手术到核聚变研究的等离子体约束，从娱乐到超市加快结账速度，激光如今已成为我们日常生活的一部分。

虽然我们使用的激光器控制的是光子（即光粒子），但科学家也制造出了控制其他基本粒子（如振动和声音）的激光器。这些粒子被称为声子，为量子物理、引力和粒子加速等领域的进一步研究提供了可能。

声子为何重要？

声子是准粒子，因为它们代表了弹性结构振动模式在量子力学量子化中的激发态。简单来说，就像光子是量子化的光波一样，声子就是量子化的声波。

这一概念于1930年首次提出，其重要性在于有助于理解凝聚态物质系统。经典力学将简正模式视为波状现象，而声子也表现出粒子般的特性，因此获得了"准粒子"的称号。

罗切斯特大学光学物理学教授尼克·瓦米瓦卡斯与同事于2019年演示了一种声子激光器。研究人员利用光镊在真空中捕获并悬浮声子，展示了这项技术，但也遇到了噪声问题。

降低声子激光器的噪声

瓦米瓦卡斯在新闻稿中表示："虽然肉眼看去激光是稳定的光束，但实际上存在很多波动，当用激光进行测量时会产生噪声。通过用光以恰当方式推拉声子激光器，我们可以显著降低这种声子激光器的波动。"

研究人员成功压缩了声子激光器固有的热噪声，并且能够比基于光子的激光器或射频源更精确地测量加速度。

研究人员还相信，他们的设备可用于精确测量重力和其他力。综合起来，这些技术可用于制造量子指南针，这种指南针不仅更精确，而且由于不依赖卫星运行，因而"无法被干扰"。

由于高频声学振荡也可用于操纵量子态，声子激光器可用于更详细地研究这些量子态，为未来的量子传感和量子计算开辟道路。

此外，声子激光器可作为表面声波源，用于操作微芯片。用这些芯片制造的设备将比基于射频的设备更快、更小、更节能。

由于声波比光波更能有效地穿过含水组织，研究人员还热衷于开发基于声子的激光器，以便未来实现精确的超声成像甚至无创治疗。

瓦米瓦卡斯及其同事热切期待这项技术在未来这些方面取得进展。

他们的研究成果发表在《自然·通讯》杂志上。

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