在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院近期的一項實驗中，一種微波諧振器與金屬微鼓振動發(fā)生了耦合作用，通過主動冷卻近乎量子力學(xué)所允許的最低能量的機(jī)械運動，微鼓可以變成一個能夠塑造微波狀態(tài)的量子庫。該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然—物理學(xué)》雜志上。

微鼓的電子顯微鏡照片掃描 圖片來源：美國《科學(xué)日報》

納斯博特·伯尼爾博士和阿列克謝·費奧法諾夫博士在英國劍橋大學(xué)理論家安德烈亞斯·努內(nèi)坎普博士的支持下，主導(dǎo)了EPB的托拜厄斯·基彭貝格光子和量子測量實驗室的研究工作。

微波是電磁波，與可見光相似，但頻率小于四個數(shù)量級。微波是微波爐、蜂窩電話以及衛(wèi)星通信等幾種日常技術(shù)的支柱，近來，它在超導(dǎo)電路的量子信息操縱中發(fā)揮的作用日益重要，這是實現(xiàn)未來量子計算機(jī)最有希望的候選者之一。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院微納米技術(shù)中心制造的直徑僅為30微米、厚度為100納米的微鼓構(gòu)成了超導(dǎo)微波諧振器中電容器的頂板。鼓的位置調(diào)制諧振器的諧振頻率，與此相對，電容器兩端的電壓在微鼓上施加力的作用。通過這種雙向的相互作用，能量可以在機(jī)械振動和超導(dǎo)電路中的微波振蕩之間發(fā)生交換。

在實驗中，微鼓首先通過適當(dāng)調(diào)諧的微波音調(diào)被近乎最低能量的量子能級冷卻。單位微波光子（光的量子）帶走了聲子（機(jī)械運動的量子）的能量，從而減少了機(jī)械能。這一冷卻過程增加了耗散，并將微鼓轉(zhuǎn)化為微波諧振器的耗散儲存器。

通過調(diào)諧空腔與目前是微波環(huán)境的冷卻微鼓之間的相互作用，空腔可以變成微波放大器。該放大過程最令人感興趣的地方在于增加的噪聲，即放大的信號中增加了多少隨機(jī)的、冗余的波動？盡管違反直覺，但量子力學(xué)指出，這種增加的噪聲即使只是在原理上也不能被完全抑制。在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院實驗中實現(xiàn)的放大器非常接近此極限，因此它已經(jīng)盡可能地處于了“靜止”狀態(tài)。有趣的是，在不同的狀態(tài)下，微鼓將微波諧振器轉(zhuǎn)變?yōu)榱思す饣蛭⒉す狻?/span>

“在過去幾年里，已經(jīng)有非常多的研究將重點放在了把機(jī)械振蕩器引入量子解決方案。”該項目的研究員阿列克謝·費奧法諾夫表示，“然而，我們的實驗是最早一批實際展示和控制未來量子技術(shù)的實驗之一。”

展望未來，這項實驗可以像無聲微波路由或微波糾纏一樣在腔體光機(jī)械系統(tǒng)中產(chǎn)生新的現(xiàn)象。一般而言，這就意味著機(jī)械振蕩器可以成為快速發(fā)展的量子科學(xué)和工程領(lǐng)域的有用資源。