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瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）和IBM歐洲研究中心的研究人員最近展示了雷射冷卻納米機械振蕩器到零點能量（即包含最小能量的點）的過程。他們的成功演示被《物理評論通訊》（Physical Review Letters）刊載，可能會對量子技術的發展產生重要影響。
很長一段時間以來，從事不同科學和技術領域的研究人員一直在開發利用物體的聲學特性，如聲學共振或機械振動等工具。例如，機械共振長期以來一直被用來處理信號或用於收集高度精確的測量數據。
在更基礎的層面上，這些共振遵循量子力學定律。因此，未來利用材料的聲學特性的技術也可以利用材料的量子力學特性，例如兩個機械振動之間的糾纏或兩個振動態的疊加等。
"這種進入量子體系的方式與其他量子技術相似，比如量子計算機，"進行這項研究的研究人員之一Itay Shomroni博士說。"這些相對較大的物體的量子性質被外部環境的影響所掩蓋，其中最普遍的是熱噪聲，即由有限的溫度引起的隨機波動。"
要達到能夠觀察到量子機械效應的狀態，研究人員首先要去除環境影響所產生的噪聲。這可以通過將機械振蕩器冷卻到可能的最低能量狀態，也就是所謂的基態來實現。
根據量子力學定律，振蕩器在基態時不會凍結，相反，它所包含的能量最小，即所謂的'零點能量'。" 過去十年來，不同的研究小組利用各種納米和微機械振蕩器，越來越接近於將機械運動引入基態，從而達到零點能量。
"有一種方法是簡單地將整個儀器冷卻到極低的溫度，在毫開爾文範圍內，"Shomroni說，"但這增加了實驗的複雜性，並引入了其他限制因素。我們的目標也一直是希望在我們的系統中達到幾開爾文的工作溫度，達到基態冷卻。"
在他們的研究中，Liu Qiu、Shomroni和他們的同事們試圖利用雷射冷卻技術將一個納米機械振蕩器冷卻到零點能量。值得注意的是，他們能夠達到極低的佔用率（即92%的基態佔用率），將系統推向量子態。
"我們用雷射來冷卻機械振蕩器的運動，起初可能會讓人感到驚訝，"Shomroni解釋道。"這是一個眾所周知的技術，在其他實驗中也使用過。光對物質施加一種叫做輻射壓力的力。只要施加的力是正確的，與物體的速度相反，就可以用來阻尼和冷卻機械運動。"
在實驗中，機械振動發生在一段長几微米、橫截面為220納米×530納米的矽納米光束上。這個部分還構成了一個光腔的一部分，研究人員將雷射束注入其中。這個系統中的振動和光的壓力是相互依存的，因此，它們之間的關係最終會對系統進行冷卻。
"正如我們知道的那樣，光也會因為被吸收而使物體發熱，"Shomroni說。"為了將吸收的影響降到最低，我們用少量的氦氣包圍了我們的振蕩器，這樣多餘的熱量就可以迅速散去。"
利用他們基於雷射冷卻的方法，Qiu、Shomroni和他們的同事們能夠將一個納米機械振蕩器冷卻到非常接近其零點能量的程度。他們取得的結果證明了利用雷射技術與機械振動的相互作用來冷卻機械物體的方法的有效性。
研究人員還使用振蕩器本身提供的免校準度量器，即其吸收率和發射率的比值，在原地測量了他們系統中的剩餘熱能。這種特殊的度量也被認為是振蕩器的量子特性的標誌。
將量子系統冷卻到基態的能力可以為新的量子技術的發展和量子力學的進一步研究提供新的可能性。例如，這種能力可以在被稱為薛丁格貓態的量子疊加態中創造出一個相對較大的機械物體。
此外，開發出一種能夠使機械系統接近其零點能量的方法，可能會對量子計算產生重要影響。目前，IBM的研究人員正在嘗試開發能夠有效地轉導量子信息的器件，將量子信息從超導量子轉換為光學光子。
"這樣的器件將作為一種手段，將基於超導準比特的量子計算機與光纖電纜連接起來，以創建一個量子網絡，並進一步擴大計算能力，"進行這項研究的另一位研究人員Paul Seidler說，"到目前為止，最成功的微波-光轉導方法是利用機械系統作為中介。對於這種應用，能夠在機械系統的基態下初始化機械系統的能力可能是至關重要的。"
在未來的工作中，EPFL-IBM團隊計劃利用其將機械系統冷卻到零點能量的技術，以新的有趣方式控制機械系統的運動。例如，研究人員希望探索他們的方法在產生各種奇特量子態方面的潛力。
論文標題為《Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy》。