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研究人员利用压缩光实现量子鼓

2017-02-05 11:05中国激光眼镜信息网

导读: 研究人员在位于科罗拉多的美国国家标准与技术研究所(NIST)进行的这项工作,表示说这项冷却技术可广泛应用到范围包括量子计算机或高精度传感器等应用上。


美国的物理学家已经冷却一个微观的铝鼓至接近绝对零,这比以前所认为的温度更低。研究人员在位于科罗拉多的美国国家标准与技术研究所(NIST)进行的这项工作,表示说这项冷却技术可广泛应用到范围包括量子计算机或高精度传感器等应用上。

这种铝鼓其尺寸为20微米的直径和100 纳米的厚度,被嵌入在一个芯片中作为超导电路的一部分,美国国家标准与技术研究所的John Teufel解释说。为了冷却这个铝鼓,研究人员首先将电路放进真空室,在37毫开尔文温度下,然后利用电路进行微波循环。微波光子撞击了铝鼓中的原子,并获取了原子的一些动量。因此,通过减慢原子的热运动,光子将鼓的温度降低到360微开尔文温度。

Teufel指出,在这个实验中,温度的定义不同于一般意义上的热力学定义。当他们说,他们已经达到了360微开尔文,这并不意味着原子几乎静止。相反,鼓是能够在一定频率范围内振动的,但在他们的实验中,他们已经限制了它只在最低频率处震动。

 

多年来,物理学家利用光子来冷却物理系统,包括光腔中的原子、分子甚至反射镜。但是由于海森堡的不确定原理,光子的冷却能力总是受到噪声的限制。Teufel解释说,总体而言,光子会从铝鼓结构中获取动量,偶尔它们也会由于量子涨落的原因出现“混乱撞击”的现象。人们一直认为,当光子被用来冷却时,就会产生这种噪声,它会阻止利用光子冷却超过一个特定的温度,称为“量子极限”。

他的研究团队的创新是,Teufel解释说,是找出如何摆脱噪声从而超过量子极限。研究人员通过使用一种特殊类型的被称为压缩光的光来实现这一目标.。

压缩光是利用工程上的不确定性质的光。所有光子都服从不确定性原理。例如,你越了解光子的位置,你就越不能知道它的动量。虽然物理学家永远无法摆脱这种根本的不确定性,他们已经想通了,他们可以重新分配它。例如,如果他们想更精确地了解光子的位置,他们可以牺牲动量测量的精度。

Teufel领导的研究小组对一个光子的强度和相位之间的不确定性进行重新分配,使得光子以协调的方式进行击中铝鼓材料用来消除随机噪声。他谨慎地指出,他们没有违反量子力学的规则。“我们只是巧妙地使用规则,”他说。这种技术可以在理论上是很酷的一个目标“任意接近”绝对零度,这意味着在达到绝对零度是不可能的,实验者可以朝着光子的量子噪声约束这个目标慢慢接近。

这个水平的冷却意味着他们可以观察到由于量子效应而产生的鼓的震动,这通常会在热运动下被淹没。此外,Teufel说,冷却技术可以用来制造超灵敏的探测器,如压力传感器或磁场传感器。“你可以非常敏感地测量任何在铝鼓材料上的变化,”他说。

Teufel也希望在量子计算中使用的这种铝鼓结构。例如,量子信息可以被编码为一个在鼓膜上的持久的振动。这些振动可以用作信息存储。

“这项工作是令人兴奋的,因为这个领域的大多数人以为他们被量子噪声永远的阻挡了,”加拿大麦克吉尔大学的Aashish Clerk说,他没有参与这项工作。超越量子极限,Teufel研究团队真的实现了不一样的研究。“没有人有任何直觉的理由认为[压缩光]实际上会做什么,”Clerk说。他第一次听到研究人员在会议上谈到这个技术。

这项研究已经发表在《自然》杂志上。

 

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