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物理学家制造并测量量子化机械振动

发布:HPLSElaser    |    2017-10-10 16:41    阅读:370
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奥地利维也纳大学以及荷兰代尔夫特理工大学进行的量子化机械振动实验效果图。

美国和欧洲的物理学家分别研究出两种不同的制造并测量量子化机械振动的方法,对量子力学宏观条件的研究具有根本意义,且该项技术也能够使用于不同系统之间量子态的转移,有助于推动新型量子计算和量子通信技术。

量子力学是研究诸如原子或亚原子粒子等极小粒子的物理学科,但同样可用于对较大对象的研究。即使是对相对较小的宏观系统进行研究也必须冷却到极低的温度,以便在热噪声引起的波动干扰下观察到量子效应。

2010年,美国加州大学圣芭芭拉分校的Andrew Cleland及其同事们将微波频率机械振荡器耦合到超导电路中,观察到肉眼可见的量子效应。美国国家标准与技术研究所(NIST)的John Teufel表示,这项研究已经提前结束了,而且由于技术问题几乎无法继续,“Cleland的原始论文中表示,该实验能够在量子态衰减之前进行测量”。实际上,制造异常量子态并进行复杂操作等研究是无法实现的。

技术简化与升级

耶鲁大学的Robert Schoelkopf及其同事们在新一轮的实验中对原有的技术进行了简化和升级,使用具有多重可调节能量级的超导电路制造出概念相似的装置。研究团队成员Yiwen Chu解释称,其中两种能级可用于量子位(qubit)的制造。

在实验中,将超导电路的一个电极于蓝宝石谐振腔一端的压电氮化铝薄片相连接。该谐振腔包含多个独立的量子振动模式。由于氮化铝的压电特性,研究人员能够将量子振动(声子)注入蓝宝石激光器或从中提取。

研究人员通过调整能级间距来调整量子位与任意振动模式产生共振,且对其中一种量子态进行多次试验,例如通过激发单个量子振动模式来测量其衰减速率,在不同时间段后,再次测量其消失的概率。研究人员发现量子态的寿命约为17μs,该结果比Cleland团队在2010年测量的量子态寿命长约1000倍。

薛定谔的猫

耶鲁大学的研究人员目前希望利用更长的量子态寿命在谐振腔中产生更加复杂的量子态。Chu表示:“理论上,我们可以把两个声子放入机械谐振器中。首先激发量子位,后放入一个声子,再次激发量子位,继续放入另一个声子,关键在于在量子态衰减前我们可以进行操作的次数。”他们还希望能够展示类似“薛定谔的猫”的量子态,其中谐振器以两种独立的方式振动,这将是机械系统中的首例实验。

另一项实验由维也纳大学以及代尔夫特理工大学的研究人员共同完成。该实验装置为一台冷却至绝对零度的微观光学谐振腔。从谐振腔中发射激光脉冲,每个激光光子的能量均大于在谐振腔中产生光子谐振时的能量。其中,多余的能量等于空腔中机械共振频率处声子的能量。虽然大多数光子从空腔中反射回来,但仍有大约1%的光子在空腔中产生了新的光子和声子。代尔夫特理工大学的Simon Gröblacher解释道:“如果我们检测到一个与空腔共振的光子,则表示机械系统已被激活。”

随后,研究人员使用能量低于空腔光学谐振频率,且能产生更强激光脉冲的谐振腔。这些光子中偶尔有一个光子吸收一个声子的能量,使声子的能量与光学共振腔的能量相同。

量子态的保留

研究人员通过观察从共振腔中发射出光子的统计特性,了解到这些光子与原先用于激发机械谐振器的光子处于相同的量子态。因此,输入光子的量子态保留在新激发的单个声子中,随后转移到输出光子中。

研究团队目前致力于实现在光子加入和提取出共振腔时更精确地控制,这对于量子存储来说非常重要。维也纳大学的Marcus Aspelmeyer表示:“现在量子状态的转移已经被证实,我们希望完全控制这种转移过程。”

欧洲的研究人员们对量子态的控制比起耶鲁大学的研究更加简单,更具有实际应用的优势,其在通信波长上量子态的光子可以应用于量子网络中。

量子传输

Chu表示:“超导电路适合产生复杂的量子态,但光子的优点在于长距离传输信息,其关键在于如何连接两个系统。例如,使用超导电路产生复杂量子态,并将其转换成光信息通过光纤传输出去。一种可能的方式是通过机械振荡器将二者耦合,实现两种优势的结合。”

Teufel没有参与实验却为实验结果感叹道:“在量子力学中,研究人员们一直试图在量子层面上测量量子系统。这两个完全不同的研究目前位于该领域的最前沿。”

来源: http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/sep/25/physicists-create-and-measure-quantized-mechanical-oscillations

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