物理学家观察和控制量子运动 2017-06-12 05:04:15

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有史以来第一次,一群物理学家发现了一种观察和控制物体量子运动的方法,这个物体大到可以看到

考虑一下大钟的钟摆如果你忘了缠绕它,你最终会发现钟摆处于静止状态但是,这种简单的观察仅在经典物理学水平上有效 - 这些法则和原理似乎解释了人类规模相对大的物体的物理学

然而,量子力学是控制物质基本行为的基本物理规则在原子尺度上发光,表明没有任何东西可以完全静止

加州理工学院的研究人员和合作者团队第一次找到了一种方法来观察和控制一个足够大的物体的量子运动

他们的研究结果发表在8月27日的科学研究期刊在线期刊上,多年来人们都知道,在经典物理学中,物理对象的确可以一动不动掉落一个球进入一个碗,它会来回滚动几次最终,这个动作将被其他力量(如重力和摩擦力)克服,球将停在碗的底部“在过去的几年里,我的团队和世界上其他几个团体已经学会了如何冷却小微米级物体的运动,以在底部或量子基态产生这种状态,”基思说

加州理工学院应用物理学教授施瓦布领导了这项研究“但我们知道,即使在量子基态,零温度,非常小的振幅波动或噪声仍然存在”因为这种量子运动或噪声在理论上是作为所有物体运动的固有部分,施瓦布和他的同事们设计了一种装置,可以让他们观察这种噪音,然后对其进行操作

微米级装置由一块位于硅基板顶部的柔性铝板组成

作为当板材以每秒3500万次的速度振动时,超导电路根据经典力学定律,如果冷却到基态,振动结构最终会完全静止但这并不是施瓦布及其同事所观察到的当实际上他们在实验中将弹簧冷却到基态时相反,剩余的能量 - 量子噪声 - 仍然是“这种能量是自然的量子描述的一部分 - 你只是无法把它弄出来,”施瓦布说,“我们都知道量子力学精确地解释了为什么电子表现得很奇怪在这里,我们将量子物理学应用于相对较大的物质,这是一种你可以在光学显微镜下看到的器件,我们看到量子效应在一万亿个原子而不仅仅是一个“因为这种嘈杂的量子运动总是存在并且不能被去除,所以它对人们如何精确地测量物体的位置设置了一个基本限制

施瓦布和他的同事发现,并非不可克服研究人员和合作者开发了一种技术来操纵固有的量子噪声,并发现有可能定期减少它来自麦吉尔大学的Coauthors Aashish Clerk和来自马克斯普朗克研究所的Florian Marquardt光学科学提出了一种控制量子噪声的新方法,有望定期降低量子噪声

这项技术随后在加州理工学院Schwab低温实验室的微米级机械设备上实施“有两个主要变量来描述噪声或者说,运动,“施瓦布解释说”我们表明我们实际上可以使其中一个变量的波动变小 - 以使另一个变量的量子波动变大为代价

这就是所谓的量子压缩状态;我们把噪音压缩到一个地方,但由于挤压,噪音必须在其他地方喷出但是只要那些更嘈杂的地方不在你获得测量的地方,就没关系“控制量子噪声的能力有朝一日可用来提高非常敏感测量的精度,例如LIGO,激光干涉引力波天文台,加州理工学院和麻省理工学院领导的寻找引力波迹象的项目

时空结构中的涟漪 “我们一直在考虑使用这些方法来探测来自脉冲星的引力波 - 非常密集的恒星,这些恒星被太阳的质量压缩到半径10公里,每秒旋转10到100次,”施瓦布说:“在20世纪70年代,Kip Thorne [加州理工学院Richard P Feynman理论物理教授,名誉]和其他人写了论文,说这些脉冲星应该发射几乎完全周期性的重力波,所以我们正在考虑如何使用这些技术

用于减少探测器中量子噪声的克尺度物体,从而提高了拾取这些重力波的灵敏度,“施瓦布说,为了做到这一点,目前的设备将不得不扩大规模”我们的工作旨在探测量子力学越来越大的尺度,有一天,我们希望这最终会开始触及像引力波一样大的东西,“他说这些结果发表在一篇题为”量子挤压m“的文章中

在机械谐振器中“除了Schwab,Clerk和Marquardt之外,其他共同作者还包括前研究生Emma E Wollman(博士'15);研究生Chan U Lei和Ari J Weinstein;前博士后学者Junho Suh;和德国埃尔兰根弗里德里希 - 亚历山大大学的Andreas Kronwald这项工作由美国国家科学基金会(NSF),国防高级研究计划局和量子信息与物质研究所资助,该研究所也是一个NSF物理前沿中心

来自Gordon和Betty Moore基金会出版物的支持:EE Wollman等人,“Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator,”Science 28 August 2015:Vol 349 no 6251 pp 952-955; DOI:101126 / scienceaac5138消息来源:Jessica Stoller-Conrad,加州理工学院图片:Chan Lei和Keith Schwab / Caltech