操作装置的概念图，由一个纳米柱加载的鼓组成，该鼓夹在两个周期性分段的镜子中，允许激光在室温下与鼓发生强烈的量子力学相互作用。图片来源：EPFL & Second Bay Studios
洛桑联邦理工学院的研究人员通过在室温下控制量子现象，克服了长期存在的需要极冷的障碍，实现了量子力学的里程碑。这为量子技术应用和宏观量子系统的研究开辟了新的可能性。
在量子力学领域，在室温下观察和控制量子现象的能力长期以来一直难以捉摸，尤其是在大尺度或“宏观”尺度上。传统上，这种观测仅限于接近绝对零度的环境，在那里量子效应更容易被探测到。然而，对极寒的要求一直是一个主要障碍，限制了量子技术的实际应用。
洛桑联邦理工学院的开创性研究
现在，由洛桑联邦理工学院（EPFL）的托比亚斯·基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）和尼尔斯·约翰·恩格尔森（Nils Johan Engelsen）领导的一项研究重新定义了可能性的界限。这项开创性的工作融合了量子物理学和机械工程，以实现室温下量子现象的控制。
“几十年来，达到室温量子光力学的状态一直是一个公开的挑战，”Kippenberg说。“我们的工作有效地实现了海森堡显微镜——长期以来人们一直认为它只是一个理论上的玩具模型。”
在今天（2月14日）发表在《自然》杂志上的实验装置中，研究人员创造了一个超低噪声的光机系统——一种光和机械运动相互连接的装置，使他们能够高精度地研究和操纵光如何影响移动物体。
水晶状的空腔与中间的鼓相映成趣。图片来源：Guanhao Huang/EPFL
室温的主要问题是热噪声，它会扰乱微妙的量子动力学。为了尽量减少这种情况，科学家们使用了腔体镜，这是一种特殊的镜子，可以在密闭空间（腔体）内来回反射光线，有效地“捕获”它并增强其与系统中机械元件的相互作用。为了降低热噪声，反射镜采用晶体状周期性（“声子晶体”）结构。
创新的实验装置
另一个关键部件是一个称为机械振荡器的 4 毫米鼓状装置，它与腔内的光相互作用。其相对较大的尺寸和设计是将其与环境噪声隔离的关键，从而可以在室温下检测微妙的量子现象。“我们在这个实验中使用的滚筒是多年来努力创造与环境良好隔离的机械振荡器的结晶，”Engelsen说。
“我们用来处理臭名昭著和复杂噪声源的技术对更广泛的精密传感和测量领域具有高度相关性和影响，”领导该项目的两名博士生之一黄冠豪说。
这种设置使研究人员能够实现“光学挤压”，这是一种量子现象，其中光的某些特性，如其强度或相位，纵以减少一个变量的波动，而牺牲另一个变量的波动增加，正如海森堡原理所规定的那样。
通过在他们的系统中展示室温下的光学挤压，研究人员表明，他们可以有效地控制和观察宏观系统中的量子现象，而不需要极低的温度。表格顶部
该团队认为，在室温下运行系统的能力将扩大对量子光机系统的访问，这些系统是在宏观尺度上建立量子测量和量子力学的试验台。
“我们开发的系统可能会促进新的混合量子系统，其中机械鼓与不同的物体强烈相互作用，例如被困的原子云，”领导这项研究的另一位博士生Alberto Beccari补充道。“这些系统对量子信息很有用，可以帮助我们了解如何创建大型、复杂的量子态。
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