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在光学显微镜下就能看到的量子运动

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:4

    在光学显微镜下就能看到的量子运动

    图片来源: Chan Lei and Keith Schwab/Caltech

    加州理工学院的一支研究团队与其合作者首次找到了观察并控制可见物体量子运动的方法。他们的成果于8月27日在线发表在《科学》(Science)杂志上。

    研究者们早就知道,在经典物理中,物体的确可以是静止不动的。把一个球丢进碗里,球会前前后后滚几个来回,但最终运动会被其他力量克服(如重力和摩擦力),而球也终将静止在碗底。

    “在过去几年里,我的团队和其他一些团队已经掌握了如何平息微米尺度物体的运动,使其处于量子基态的方法,”领导这项研究的基思·施瓦布(Keith Schwab)说,他是加州理工学院的物理与应用物理学教授,“但是我们知道,即使处于量子基态,在绝对零度下,物体仍然存在振幅极小的涨落,或者说噪声。”

    因为量子运动或噪声,理论上是所有物体固有的一种运动。施瓦布和他的同事设计了一种设备,使他们可以观察并控制量子噪声。

    这个微米级的设备由一块有弹性的铝板和一块置于其下的硅衬底组成。铝板的振动频率达到3.5MHz时,便会与一个超导电路耦合。根据经典力学法则,振动物体如果被冷却到基态,则最终会完全静止下来。

    但这种静止并没有出现在施瓦布的实验中,设备被冷却到基态后,量子噪声仍然存在。

    “这种能量是自然界量子描述的一部分,你不可能把它消除掉,”施瓦布说,“我们都知道量子力学可以精确地解释电子的怪异行为。在这项研究中,我们将量子物理应用到相对大的物体——一个你可以在光学显微镜下看到的设备上,我们观察到了万亿原子的量子效应,而不仅仅是单个原子。”

    由于这种噪声式的量子运动一直存在,不可消除,它从根本上限制了测量物体位置的精确程度。

    但是,施瓦布和他的同事发现,这种限制并不是不可克服的。研究人员及其合作者开发了一种操纵固有量子噪声的技术。这项研究的合作者,麦吉尔大学(McGill University)的阿施施·克拉克(Aashish Clerk)和马克斯·普朗克光学研究所(Max Planck Institute for the Science of Light)的佛罗莱恩·马夸特(Florian Marquardt)提出了一种控制量子噪声的新方法,这种方法可以周期性地降低量子噪声。这项技术随后被应用在了施瓦布在加州理工学院低温实验室里的微米级机械装置上。

    “描述量子噪声或运动的主要变量有两个,”施瓦布解释道,“我们证明了确实可以让一个变量的量子涨落小一些,而代价就是另一个变量的涨落会增大。这就是所谓的量子压缩态(quantum squeezed state);我们在一个地方将噪声压缩,由于挤压,必将有另一个地方噪声会增大。只要噪声增大的地方不是你的测量目标,那就无关紧要。”

    在未来,控制量子噪声的能力可能会用于提升极灵敏测量的精确性,例如激光干涉引力波观测站(Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory,LIGO),这是一项加州理工学院与麻省理工学院共同领导的搜寻引力波(gravitational wave,即时空结构中的波纹)信号的计划。

    “我们始终在思考如何利用这些方法探测脉冲星的引力波。脉冲星是一种极为致密的天体,相当于把整个太阳的质量塞进半径十千米的球体里,脉冲星每秒钟旋转10到100次,”施瓦布说,“在20世纪70年代,包括基普·索恩(Kip Thorne,加州理工学院理论物理学的费曼讲席教授)在内的一些人曾写过相关文章,认为脉冲星应该会以近乎完美的周期发射引力波,所以我们也在认真思考如何把这些技术用在克级别的物体上,以降低探测器的量子噪声,从而提高捕捉引力波信号的灵敏度。”施瓦布说。

    为了做到这一点,现有的设备必须按比例放大。“我们的目标是在越来越大的尺度上探测量子力学特性。总有一天,我们会触及到引力波那样大的东西。”他说。(撰文:杰茜卡·斯托勒-康拉德(Jessica Stoller-Conrad)翻译:张旭阳审校:魏若妍)

    原文链接:https://phys.org/news/2015-08-quantum-motion.html

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