近日,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的物理學(xué)家將一個機(jī)械物體的溫度降至新低,突破了所謂的“量子極限”。
2017年1月12日,《自然》雜志刊文介紹了NIST的這個新實驗。文章描述了如何將一只納米尺度上的機(jī)械鼓---- 一個可以振動的鋁薄膜----冷卻到低于五分之一個能量量子的溫度,這個溫度低于量子力學(xué)預(yù)言的最低溫度。
NIST的科學(xué)家說,理論上這個技術(shù)可以把物體冷卻到絕對零度,這是一個萬物沉寂、沒有能量、也沒有運(yùn)動的溫度。
“鼓被冷卻到的溫度越低,在應(yīng)用中的表現(xiàn)就越好,”該實驗的負(fù)責(zé)人、NIST物理學(xué)家John Teufel說?!皞鞲衅鲿拥仂`敏;儲存器可以保存更久的信息。若用來造量子計算機(jī),計算過程會沒有任何失真,可以準(zhǔn)確地給出你想要的答案。”
“實驗結(jié)果對該領(lǐng)域的專家來說完全是個驚喜!”Teufel的小組的另一位主要負(fù)責(zé)人Jose Aumentado說,“這是一個十分優(yōu)美的實驗,必將產(chǎn)生巨大影響?!?/P>
鋁鼓的直徑200納米,厚度100納米,它嵌在一個特殊設(shè)計的超導(dǎo)電路中,鼓的振動可以影響在其腔體中來回反射的微波。微波也是電磁波的一種,是一種看不見的“光”,比起可見光來,它的波長更長,頻率更低。
腔體中的微波會調(diào)整自身頻率來適應(yīng)鼓的自然共振頻率。每一個鼓腔都有一個自然共振頻率,像“聲調(diào)”一樣。用手指在裝有水的水杯邊緣磨擦,水杯會嗡嗡作響,杯中水量決定水杯空腔的大小,從而產(chǎn)生不同的音調(diào)。鼓腔的自然頻率也是同樣的道理。
NIST的科學(xué)家曾將量子鼓冷卻到它的基態(tài),即三分之一個能量量子。他們使用了一種叫邊帶冷卻(sidebandcooling)的方法,在超導(dǎo)電路上施加了一個頻率略低于鼓腔諧振頻率的振蕩電流,鼓腔在電流作用下振動產(chǎn)生相同頻率的光子,如前所述,這些光子又會被調(diào)整到略高的鼓腔自然諧振的頻率上。
我們知道,光子的頻率越高,能量就越大,多余的能量自然來自量子鼓本身。當(dāng)光子積累到一定程度后便從鼓中溢出,帶走這些能量,鼓就被冷卻下來了。這個原理與大名鼎鼎的激光冷卻原理大同小異,1978年NIST第一次用激光冷卻了一個原子,如今激光冷卻已經(jīng)被應(yīng)用于原子鐘等廣泛領(lǐng)域。
最近的一次NIST實驗又有了新的改進(jìn)----使用“壓縮態(tài)光”(squeezed light)來驅(qū)動電路?!皦嚎s”(Squeezing)是一個量子力學(xué)的概念,一個處于壓縮態(tài)的光子,其噪音或量子擾動被壓縮到了最低。
在量子擾動的制約下,傳統(tǒng)技術(shù)只能將物體冷卻到了某一個最低溫度,NIST的團(tuán)隊通過使用壓縮光,獲得了更加精確的電流頻率。這個特殊的電路可以產(chǎn)生十分“純凈”的光子,將量子擾動控制在最低水平,從而突破了最低溫度的限制。
“光子的噪音(即光子動量和位置的不確定性)會增加光子隨機(jī)碰撞腔壁的概率,這種碰撞反而會加熱腔體,我們通過對光子態(tài)的振幅和相位在某個特定方向上進(jìn)行壓縮,產(chǎn)生了完全相干的光子,和更加穩(wěn)定的光場”,Teufel說,“這些光子既脆弱又強(qiáng)大?!?BR>NIST的實驗證明了壓縮態(tài)光可以突破一直以來的冷卻極限,Teufel說,這也適用于更大的物體或者低頻的物體,這些往往是最難冷卻的。
量子鼓有著很多應(yīng)用,比如由量子計算機(jī)和經(jīng)典計算機(jī)組成的混合型計算機(jī),理論上說,量子計算機(jī)在某些目前還十分棘手的計算問題上會得心應(yīng)手。
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更多>2018-10-12