據(jù)頂刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》報道：藝術家表演所用的光學機械硅納米束可以采用激光進行冷卻。這一進展對量子技術的應用具有十分重要的意義。我們帶您一探究竟。

圖1 光學機械硅納米束可以采用激光進行冷卻 來自IBM歐洲研究院

瑞士聯(lián)邦理工學院（洛桑）（簡寫為EPFL）的研究人和IBM歐洲研究中心的人員的聯(lián)合研究的最新的研究顯示，激光可以對納米機械振蕩器冷卻至零點能量，即最小能量狀態(tài)的的狀態(tài)點。這一技術成功的發(fā)現(xiàn)，對量子技術的應用具有十分重要的意義，該項研究成果發(fā)表在著名的物理類頂刊《Physical Review Letters》上，論文題目為：Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy。

在很長的一段時間內(nèi)，不同領域的科學家們研究發(fā)展了利用聲學特性的工具，如聲共振或機械振動。對于機械共振，在很長的一段時間內(nèi)被用于加工過程或作用過程的信號，或者作為高精密測量儀器的收集信號的一個標志。

在更加基礎的層面上，這個振動遵從量子力學的基本規(guī)律。在不久的將來，利用材料的聲學特性的未來黑科技將會是充分發(fā)揮量子力學特征的優(yōu)點而發(fā)展起來的技術，如充分利用在兩個機械振動或兩個振動態(tài)的疊加態(tài)的糾纏。

“這將是進入量子領域的開端，之所以這么說，是因為這一技術是平行于現(xiàn)有的量子技術的技術，如不同于現(xiàn)有的量子計算機”。Itay Shomroni博士說到，他是該項目團隊的一員，“這些體積相對比較大的物體產(chǎn)生的量子效應的本質(zhì)常常受到外部環(huán)境的影響。其中這些影響因數(shù)中最普遍的是熱噪音——由于有限溫度的隨機波動而產(chǎn)生的”為了達到可能觀察量子力學效應的這一層面，研究人員首選將環(huán)境影響中的噪音這一因數(shù)給排除掉。這可以通過將機械振動進行冷卻直至到最低的能量狀態(tài)，這一最低的能量狀態(tài)點就是零點能量狀態(tài)，也叫 基態(tài)。

基于量子力學的本質(zhì)特征，振蕩器經(jīng)常在其基態(tài)并不會被冷卻，而寧可說是，它包含著一個最小的能量狀態(tài)，就是所謂的零點能量。在過去的幾十年里，不同的研究團隊經(jīng)過多年的努力已經(jīng)可以使用納米機械振蕩器或微米級別的機械振蕩器，可以將機械運動控制在接近基態(tài)，甚至接近零點狀態(tài)。

“我們的辦法非常簡單，冷卻整個機械裝置直至極端的低溫狀態(tài)，在毫開的溫度范圍內(nèi)，”“但這會增加實驗的復雜性并進而帶來其他的限制。我們也開始瞄準將我們的系統(tǒng)處于基態(tài)，操作溫度在幾K的溫度范圍內(nèi)”?！?/p>

在他們的研究中，研究人員極力使用激光冷卻一個納米機械振蕩器至零點能量狀態(tài)。顯而易見的，他們獲得了一個極端低的控制區(qū)域，即92%的部分為基態(tài)，從而推動整個系統(tǒng)在更深的層次進入量子的范疇。

“研究人員采用激光冷卻機械振蕩器的運動，這一操作在第一眼看來是比較令人吃驚的事情”，“這一技術應用于我們的實驗是一件非常有名的技術。激光會施加一種稱之為輻射壓力的物質(zhì)狀態(tài)。這一輻射壓力可以用來進行對機械運動進行潮濕和冷卻，而且還是直接使用，只需要施加在運動物體的反方向即可。

在實驗中，機械振蕩器的振動發(fā)生在一個硅納米束上，長度為幾微米，界面為 220 nm x 530 nm。這一界面同時作為光學共振器（諧振腔）來作為研究人員傳輸激光的媒介。這一系統(tǒng)中物體的震蕩和激光的壓力都是相互依賴的，于是，他們以一定的方式相互作用，最終對系統(tǒng)進行冷卻。”

眾所周知，激光會加熱物體使得物體的溫度升高，這是因為物體會吸收光的能量。為了盡可能的減少這一能量吸收效應，研究人員將振蕩器周圍包裹（包圍）著He氣體，利用He氣對吸收的能量進行快速的冷卻。

采用這一激光冷卻技術，研究人員可以實現(xiàn)冷卻納米機械振蕩器至零點能量狀態(tài)。他們的實驗結果也表明該技術方法的有效性，該技術也有效的利用了激光技術將機械振蕩器冷卻到目標狀態(tài)（零點狀態(tài)）。

研究人員同時利用振蕩器本身所自帶的無校準公制原位測量了系統(tǒng)中殘余的熱能量，即，吸收和反射的能量比值。這一特定的公制方法同時也是振蕩器量子本質(zhì)特征的一個信號特征。

這一激光可以將振蕩器冷卻至基態(tài)的技術為我們創(chuàng)造了新 的應用可能，同時為發(fā)展新的量子技術和為將來的量子力學的研究提供了借鑒。例如，這技術的實現(xiàn)可以實現(xiàn)兩個相對體積比較大的物體同時位于在疊加態(tài)，這一狀態(tài)也叫薛定諤貓狀態(tài)。