前沿｜Nature ：克服热涨落！室温下的量子光力效应- 大数跨境

首页

前沿｜Nature ：克服热涨落！室温下的量子光力效应

两江科技评论

2024-04-01

导读：量子光力学作为一门新兴交叉学科，正逐渐展现出其独特的魅力。

文章来源：中国光学

撰稿：Jack（西湖大学）

导读

量子光力学作为一门新兴交叉学科，正逐渐展现出其独特的魅力。在室温条件下实现量子光力学控制，不仅对于推动基础科学研究具有重要意义，更是未来量子信息处理和量子技术应用的关键所在。

然而，一直以来，量子光力效应的观测只能在极低温下才能实现，因为室温下的热涨落现象会淹没量子振动的信号，这阻碍了基于量子光力效应在量子精密测量和量子计算方面的应用。

鉴于此，近日来自瑞士洛桑联邦理工学院的Tobias J. Kippenberg教授以及瑞典查尔姆斯理工大学Nils J. Engelsen教授共同领导的研究团队在Nature上以“Room-temperature quantum optomechanics using an ultralow noise cavity”为题发表重磅文章。

研究人员通过运用具有声子晶体图案的腔镜，实现了一个品质因数高达1.8亿的膜谐振器，通过高质量的振荡器、适当调整的腔频率噪声和热互调噪声消除三者的联合作用，实现了腔频率噪声的大幅降低（降幅高达700倍以上），成功观测到了室温下的固体宏观振荡器的量子振动现象，为室温宏观量子效应的实现开辟了新的思路。

图1：超材料中弹性波的非接触激光诱导激发和探测。

图源：EPFL & Second Bay Studios

量子光力学，作为探索光与机械系统相互作用的新兴领域，在近年来吸引了广泛的研究关注。然而，室温下的热涨落对量子光力学系统的影响是一个重要的挑战。在室温条件下，由于热涨落的存在，机械振子的量子行为往往被掩盖，导致量子光力学实验的实现变得异常困难。

小百科：什么是量子光力学？

量子光力学是一个研究光与物质相互作用的物理学分支，特别关注光子和纳米/微观机械振动的耦合。想象一面镜子，它就像一面鼓，光子就像敲击鼓面的鼓槌。光子撞击镜面会引起镜面振动，反之镜面振动也会影响反射光的性质。当这种相互作用很强时，量子效应就会显现。

在原子尺度，我们必须用量子力学来描述光和机械振动。通过测量对光子的反馈作用，我们可以实现对微观机械运动的量子操控，比如制备极低温的量子态。而且通过光，我们可以将机械振动与其他量子系统耦合，用于量子信息处理。总之，量子光力学为研究固态量子系统提供了一个很好的平台。

小百科：什么是热涨落？

在量子光力学实验中，“”热涨落”指的是由环境热噪声引起的机械振动和光学噪声。

在室温下，构成光学腔的机械振动器(如薄膜、梁、悬臂等)中的原子由于热运动而随机振动。这种热振动会引起两个后果：一是机械振动器的形状和位置会随时间而起伏，导致光学腔的长度和频率出现随机噪声；二是机械振动器的固有振动模式会被热噪声激发，引起振动噪声，它会与光学信号发生耦合，引入额外的噪声。

量子光力学实验的目标是测量由辐射压力引起的机械位移，这个信号非常微弱，很容易被热涨落淹没。因此，大多数实验都在极低温度下进行，通过降温来抑制热涨落。

本文的创新之处在于通过精心设计机械振动器的材料和结构，在室温下大幅降低了热涨落引起的噪声，使得微弱的量子效应可以被成功测量到。这为室温下研究固态量子系统开辟了新的途径。

在量子光力学系统中，光场与机械振子之间的相互作用是实现量子控制的关键。在室温条件下，机械振子受到热涨落的强烈影响，导致其振动状态偏离理想的量子态。热涨落主要来自于环境温度下的热噪声和机械振子自身的热激发。这些热效应会破坏机械振子的量子相干性，限制其在量子光力学实验中的应用。

首先，室温下的热涨落会导致机械振子的品质因数降低，从而限制其相干时间和量子性能。品质因数的降低会使机械振子的振动模式更容易受到环境噪声的干扰，降低其在量子光力学实验中的稳定性。

而且，热涨落会破坏机械振子的量子叠加态，使其失去量子相干性。量子叠加态是量子光力学实验中的重要资源，对于实现量子控制和信息处理至关重要。然而，室温下的热涨落会导致量子叠加态的塌缩，使得量子光力学实验难以进行。

同时，室温下的热涨落会限制光场与机械振子之间的耦合强度。耦合强度的降低会削弱光场对机械振子的控制能力，使得量子光力学实验难以实现高效的量子操控。

为了克服室温热涨落对量子光力学的影响，研究者们通常采取冷却技术和优化材料和结构的方法。一方面，通过采用低温冷却技术，如稀释制冷机等，将机械振子冷却到接近绝对零度的温度，以降低热涨落的影响。低温环境可以显著减少机械振子的热激发，提高其品质因数和相干时间。另一方面，通过选择具有高热导率和低机械损耗的材料，以及设计合理的机械结构，可以降低机械振子对热涨落的敏感性。例如，采用高导热性的材料可以快速将机械振子中的热量传导出去，减少热噪声的干扰。

图2：超低噪声声子工程膜腔。

图源：Nature 626, 512–516 (2024).

尽管在室温条件下，由于热涨落等因素的影响，机械振子的量子行为往往被掩盖，使得量子光力学的实现变得异常困难，但是室温量子光力学的研究仍具有巨大的潜力和价值。它不仅有助于揭示量子世界与经典世界之间的边界，还为量子精密测量、量子通信和量子计算等领域提供了新的思路和方法。

在这篇论文中，为了实现室温量子光力学控制，研究者们设计了一种超低噪声腔。这种腔体采用高质量材料和精密加工技术，以降低热噪声和其他干扰因素。同时，通过优化腔体的结构和参数，使得光与机械振子之间的相互作用更为强烈和稳定。此外，研究者们还采用了一系列噪声抑制技术，如主动噪声控制、冷却技术等，以进一步降低系统的噪声水平。超低噪声腔的实现是室温量子光力学研究的重要突破。它不仅为量子光力学实验提供了更为纯净的环境，还为后续的实验和应用奠定了基础。

为了验证超低噪声腔在室温量子光力学中的应用效果，研究者们进行了一系列实验。他们首先利用超低噪声腔中的光场与机械振子进行相互作用，观察到了明显的量子效应。接着，他们通过精确操控光场和机械振子的相互作用，实现了对机械振子的量子态制备和操控。这些实验结果充分证明了超低噪声腔在室温量子光力学中的重要作用和潜力。

图3：抑制声子带隙中的空腔频率噪声。

图源：Nature 626, 512–516 (2024).

室温量子光力学的实现不仅具有基础科学研究的价值，更有着广阔的应用前景。

首先，它有望为量子精密测量提供新的手段和方法。利用室温量子光力学系统，可以实现对微弱信号的高灵敏度检测，为生物医学、材料科学等领域的研究提供有力支持。
其次，室温量子光力学还有望为量子通信和量子计算提供新的平台和载体。例如，利用机械振子的长寿命和强耦合特性，可以实现量子信息的存储和传输；同时，通过构建多个机械振子的耦合网络，还可以实现复杂的量子计算任务。

基于超低噪声腔的室温量子光力学研究取得了令人瞩目的成果，为量子光力学领域的发展开辟了新的道路。然而，室温量子光力学的实现仍面临着诸多挑战和问题，如系统稳定性的进一步提高、量子效应的增强等。未来，研究者们需要在材料、工艺、理论等方面不断创新和突破，以推动室温量子光力学的发展和应用。

论文信息

Huang, G., Beccari, A., Engelsen, N.J. et al. Room-temperature quantum optomechanics using an ultralow noise cavity. Nature 626, 512–516 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06997-3

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。