科学家在宏观振荡器中实现集体运动 观测量子边带不对称等独特现象

用于研究量子集体现象的六元宏观机械振荡器。 资料来源：Mahdi Chegnizadeh (EPFL)

量子技术正在彻底改变我们对宇宙的认识，其中一个前景广阔的领域涉及宏观机械振荡器。 这些设备已经成为石英手表、手机和电信激光器不可或缺的一部分，它们可能在量子领域发挥变革性作用。 在量子尺度上，宏观振荡器有可能实现超灵敏传感器和量子计算的先进组件，为多个行业带来突破性创新。

在量子层面实现对机械振荡器的控制，是实现这些未来技术的关键一步。 然而，要对它们进行集体管理却面临着巨大的挑战，因为这需要几乎完全相同的单元和超高的精度。

量子光学的大部分研究都以单个振荡器为中心，展示了基态冷却和量子挤压等量子现象。 但集体量子行为却并非如此，在这种情况下，许多振荡器如同一个整体。 虽然这些集体动力学是创建更强大量子系统的关键，但它们要求对具有几乎相同特性的多个振荡器进行异常精确的控制。

洛桑联邦理工学院托比亚斯-基彭伯格（Tobias Kippenberg）领导的科学家们现在实现了长期追求的目标：他们成功地制备了处于集体状态的六个机械振荡器，观察了它们的量子行为，并测量了只有当振荡器作为一个群体行动时才会出现的现象。 这项发表在《科学》上的研究标志着量子技术向前迈出了重要一步，为大规模量子系统打开了大门。

这项研究的第一作者马赫迪-切格尼扎德（Mahdi Chegnizadeh）说："这得益于超导平台中机械频率之间极低的无序度，低至0.1%。这种精确度使振荡器能够进入一种集体状态，在这种状态下，它们的行为是一个统一的系统，而不是独立的组件。"

为了观测量子效应，科学家们使用了边带冷却技术，这种技术能将振荡器的能量降低到量子基态--量子力学允许的最低能量。

边带冷却的工作原理是用激光照射振荡器，激光的频率略低于振荡器的固有频率。 光的能量与振动系统相互作用，从而从中减去能量。 这个过程对于观察微妙的量子效应至关重要，因为它可以减少热振动，使系统接近静止。

"通过增加微波腔和振荡器之间的耦合，系统从个体动力学过渡到了集体动力学。更有趣的是，通过在量子基态中制备集体模式，我们观察到了量子边带不对称，这是量子集体运动的特征。 通常情况下，量子运动局限于单个物体，但在这里，它跨越了整个振荡器系统，"该研究的合著者马尔科-斯奇柳佐（Marco Scigliuzzo）说。

研究人员还观察到了更高的冷却率和"暗"机械模式的出现，即不与系统空腔相互作用并保持更高能量的模式。

这些发现为机械系统中的集体量子行为理论提供了实验证实，并为探索量子态开辟了新的可能性。 这些发现对未来的量子技术也有重大影响，因为在机械系统中控制集体量子运动的能力可推动量子传感和多方纠缠的产生。

编译自/scitechdaily