一项具有开创性的研究结果显示，量子物理学与机械工程在一种革命性的方法中成功融合，使得科学家们首次能够在室温条件下实现对量子现象的控制。在传统的量子力学研究中，观测和操纵量子现象往往需要在接近绝对零度的极低温度环境中进行。绝对零度，即物质达到其理论最低温度状态，约为华氏零下459.67度，是一种粒子运动几乎完全停止的极端低温状态。尽管在这种极低温度下量子效应更易于检测，但要达到这样的低温条件非常困难，这一直限制着量子技术在应用和研究方面的发展。本研究的联合作者托比亚斯·基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）表示：“几十年来，实现室温下的量子光学机制一直是科学界面临的一个巨大挑战。”现在，这个瑞士的研究团队利用先进的声子工程技术大幅减少了腔体和谐振器的噪声，成功克服了这一挑战。基彭伯格指出，这项新技术实现了物理学家所谓的“海森堡显微镜”的现实应用，这一理论曾仅存在于模型中。a）该装置的光学显微镜图像，由两面带有周期性图案的镜子和一个表面带有纳米柱的“鼓”组成；b）由光量子力驱动的鼓振动所引起的光量子噪声的减弱这项由基彭伯格和他的同事尼尔斯·恩格尔森（Nils Johan Engelsen）共同完成的新研究，已被发表在著名的《自然》（Nature）杂志上，标志着量子科技领域的一个重要里程碑。在此之前，科学家们已经在室温条件下观察到由光的量子反作用力引发的机械运动，这主要体现在实验中光控制振荡器的刚度上。然而，在固态机械谐振器中，由于是材料本身的硬度决定了振荡，因此捕捉这些效应变得更加具有挑战性。这种挑战源自于多种因素，包括机械品质因数（Q值）较低、光腔频率的波动、热互调噪声，以及由光加热导致的稳定性问题。在这次实验中，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队成功开发出了一种创新的超低噪声光机械系统。这个系统不仅能够探索光与机械运动之间的相互作用，还使研究人员能够通过精细调控光线，深入研究光对运动物体的影响。通过这项研究，科学家们重新勾画了研究的边界，创造了一个突破性成果。该研究成功将量子物理学与机械工程学相融合，在室温环境下控制量子效应，为量子科技领域开辟了新的道路。由于热噪声——即粒子运动产生的热量，会干扰量子世界动态的观测，因此在常温下实现这一目标向来充满挑战。为解决热噪声的问题，基彭伯格和恩格尔森采用了一种特制的镜子。这种被称为“空腔镜”（cavity mirror）的装置能在极小的空间内多次反射光线，有效地捕捉光子。这些空腔镜拥有由光子晶体构成的复杂图案，使得它们能够精准操纵被捕获的光，以及与系统的机械部件发生互动。“通过应用声子晶体图案化的空腔镜，我们将空腔频率的噪声降低了逾700倍。”这项研究的作者在介绍其成果时指出。“在这个超低噪声的空腔中，我们放置了一个高热导性、具有1.8亿品质因数的膜谐振器，该谐振器是采用最新的软夹持技术设计的。”实验还利用了一种微型机械振荡器，与镜子共同作用，捕获空腔内的光线。借助这种巧妙的隔离技术，即便在室温条件下，也能够探测到细微的量子现象。恩格尔森表示，他们所使用的机械振荡器是“多年努力的成果”，它使得团队能够“打造一个与外部环境良好隔离的机械振荡系统”。这项研究的另一重大成果是成功地运用了所谓的“光学挤压”现象。这一现象根据海森堡不确定性原理，通过调节光的相位、强度或其他特性，降低某一变量的波动，从而增加另一变量的波动。在他们的实验中，这种特殊条件下实现的光学挤压使研究团队能够证明，室温下确实可以控制和观察宏观系统中的量子现象。超低噪声声子工程膜腔抑制声子带隙中的空腔频率噪声光机械产生压缩光条件状态准备与验证主要研究作者阿尔贝托·贝卡里（Alberto Beccari）表示：“我们所开发的系统，可能推动新型混合量子系统的发展，在这些系统中，机械鼓与不同的物体（例如被捕获的原子云）发生密切的相互作用。”贝卡里补充道：“这些系统对于量子信息领域极其重要，有助于我们理解如何构建大型、复杂的量子态。”这项新研究的成果可能带来诸多潜在应用，包括拓宽量子光机械系统的应用领域，有助于在宏观尺度上推动量子测量和量子力学的发展。参考链接：[1]https://thedebrief.org/breakthrough-in-control-of-quantum-phenomena-at-room-temperature-has-been-achieved-researchers-say/[2]https://www.techexplorist.com/milestone-quantum-phenomena-room-temperature/81089/[3]https://www.nature.com/articles/d41586-024-00064-1[4]https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2024/february/quantum_optomechanics_hits_room_temperature/
