微波量子庫將機械振蕩器引入量子技術

微鼓的電子顯微鏡照片掃描

在瑞士洛桑聯邦理工學院近期的一項實驗中，一種微波諧振器與金屬微鼓振動發生了耦合作用，通過主動冷卻近乎量子力學所允許的最低能量的機械運動，微鼓可以變成一個能夠塑造微波狀態的量子庫。該發現發表在《自然―物理學》雜誌上。

納斯博特?伯尼爾博士和阿列克謝?費奧法諾夫博士在英國劍橋大學理論家安德烈亞斯?努內坎普博士的支持下，主導了EPB的托拜厄斯?基彭貝格光子和量子測量實驗室的研究工作。

微波是電磁波，與可見光相似，但頻率小於四個數量級。微波是微波爐、蜂窩電話以及衛星通信等幾種日常技術的支柱，近來，它在超導電路的量子信息操縱中發揮的作用日益重要，這是實現未來量子計算機最有希望的候選者之一。

瑞士洛桑聯邦理工學院微納米技術中心製造的直徑僅為30微米、厚度為100納米的微鼓構成了超導微波諧振器中電容器的頂板。鼓的位置調製諧振器的諧振頻率，與此相對，電容器兩端的電壓在微鼓上施加力的作用。通過這種雙向的相互作用，能量可以在機械振動和超導電路中的微波振蕩之間發生交換。

在實驗中，微鼓首先通過適當調諧的微波音調被近乎最低能量的量子能級冷卻。單位微波光子（光的量子）帶走了聲子（機械運動的量子）的能量，從而減少了機械能。這一冷卻過程增加了耗散，並將微鼓轉化為微波諧振器的耗散儲存器。

通過調諧空腔與目前是微波環境的冷卻微鼓之間的相互作用，空腔可以變成微波放大器。該放大過程最令人感興趣的地方在於增加的雜訊，即放大的信號中增加了多少隨機的、冗餘的波動？儘管違反直覺，但量子力學指出，這種增加的雜訊即使只是在原理上也不能被完全抑制。在瑞士洛桑聯邦理工學院實驗中實現的放大器非常接近此極限，因此它已經儘可能地處於了「靜止」狀態。有趣的是，在不同的狀態下，微鼓將微波諧振器轉變為了激光或微波激光。

「在過去幾年裡，已經有非常多的研究將重點放在了把機械振蕩器引入量子解決方案。」該項目的研究員阿列克謝?費奧法諾夫表示，「然而，我們的實驗是最早一批實際展示和控制未來量子技術的實驗之一。」

展望未來，這項實驗可以像無聲微波路由或微波糾纏一樣在腔體光機械系統中產生新的現象。一般而言，這就意味著機械振蕩器可以成為快速發展的量子科學和工程領域的有用資源。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！