Science：低至77納開 一面冷卻至量子基態的鏡子

近日，曾經探測到引力波的激光干涉引力波天文臺（LIGO）在Science發表重磅論文，成功地使人類尺度的宏觀物體冷卻到接近量子基態。

機械物體的運動，即使是人類大小的物體，也應該受到量子力學規則的支配。然而，物體運動的任何量子特征均被微觀的熱漲落環境所掩蓋，目前可通過冷卻到接近絕對零度來消除大部分熱振動（或聲子），將物體誘導進入運動量子基態，即所有的原子幾乎都處于靜止狀態，僅剩殘余的量子運動。但目前冷卻對象都為囚禁的單原子/離子，或為納米級別。

為了阻止一個物體的運動，人們可以對它施加一個相等且相反的力。精確測量原子熱運動的幅度和方向，并通過激光來施加反作用力減緩其運動，從而在宏觀上降低了溫度——這種技術被稱為激光冷卻。

Chris Whittle等人使用LIGO的懸浮反射鏡形成了一個10公斤的光機械振蕩器，通過主動激光冷卻將如此大的物體從室溫降到77納開氏度（1納開爾文=十億分之一開），從而使之接近運動量子基態，即能量最低態。

圖1：研究人員在檢查LIGO的反射鏡。圖片來源https://news.mit.edu/2021/motional-ground-state-ligo-0618

將物體冷卻到低溫可以提高傳感器的靈敏度和大多數設備的運行性能。通過這種操作可以從根本上上消除熱振動帶來的誤差影響，從而增加LIGO對引力波的敏感性和感知范圍，同時也將量子力學的研究擴展到大型物體。

LIGO

先進的LIGO是一對邁克爾遜干涉儀，每個都有4公里長的法布里-珀羅（Fabry– Pérot）臂腔，并由懸掛在熔融石英纖維上的40公斤重的反射鏡組成（圖1A）。由邁克爾遜干涉儀檢測到的任一臂中每個此類振蕩器的差速運動，并形成一個有效質量為10 kg的光機械振蕩器，包含約 1x10²⁶或近1倍的原子，同時振蕩器以 Ω₀≈2π · 0.43Hz的頻率跟隨懸浮反射鏡的鐘擺運動，而它的位移會因為n_th[Ω₀]≈10¹³個聲子的存在而產生波動。隨后干涉儀將差分臂的運動諧振轉換為反對稱端口處的光功率波動，并由零差檢測來檢測。?

圖2：LIGO干涉儀示意圖。(A) 激光在分束器處分開并重新組合，形成邁克爾遜干涉儀。通過每條臂末端的法布里-珀羅腔和信號回收反射鏡形成響應。能量回收鏡的使用和壓縮光的注入增強了靈敏度。插圖顯示了懸掛系統中的四個40公斤鏡子，反射鏡懸掛在熔融石英絲（紫色）上，品質因數Q ≈ 8×10⁷，它們可以通過施加在電極（黃色）上的電壓引起靜電力移動。(B) 在100至200 Hz時干涉儀的位移靈敏度（紅色）為 2×10^-20m/Hz^1/2，其中主要是散粒噪聲（淺紅色），通過注入擠壓真空（紅色）和外部技術噪音（灰色）而被抑制約 3 dB。藍帶則顯示了鐘擺模式被捕獲和冷卻的頻率間隔。

作為冷卻的對象不是那四個40公斤重的鏡子，二是四個鏡子的相對運動——形成了一個10公斤級別的光機械振蕩器。

通過激光來測量鏡子上原子的運動和其他量子效應。激光的單個光子從鏡子反彈以收集有關其運動的信息時，同時光子的動量也會推回鏡子并造成擾動。有了每面鏡子上量子擾動和經典擾動的完整記錄，研究人員通過在每個鏡子背面連接的電磁鐵施加了相等且相反的力。這種作用使鏡子的原子集體運動幾乎停止，以至于它們的移動不超過10^-20米，不到質子大小的千分之一。

圖3：囚禁10千克的振蕩器并冷卻至10量子。(A) 對于阻尼濾波器的每個設置，振蕩器的有效磁化率，通過在每個頻率激勵反饋回路并在相同頻率解調其響應來測量。這些線顯示了對具有附加延遲的阻尼諧振子的磁化率模型的擬合。?對應的相位響應產生?t = 0.9 ms。(B) 當阻尼增加時振蕩器的位移譜。實線顯示了對觀察到的頻譜模型的擬合，其中有效磁化率由 (A) 中的響應測量確定，并且只有頻率相關的不精確噪聲和力噪聲是可變的。插圖顯示了主面板中每條曲線的推斷平均聲子占有率作為阻尼品質因數的函數。還顯示了具有模型不確定性（灰色帶）的模型（黑色虛線）。

10公斤振蕩器的最小聲子占據，對應于圖3B中的紫色軌跡，推斷為10.8±0.8。這相當于77納開爾文的有效模式溫度，非常接近其運動量子基態。該演示為如此大質量的物體創造了量子態純度（≈10% 基態保真度）的新記錄（圖4）。這種冷卻將量子反作用噪聲抑制了11個數量級。這代表某個在接近其運動基態時所制備物體的質量會增加13個數量級。

圖4：一系列振蕩器的冷卻實驗。冷卻結果在宏觀質量范圍內創下了新紀錄，達到了 10.8 ± 0.8 聲子。

接近基態的大質量物體的制備為宏觀量子現象和量子計量學的更復雜的演示和應用打開了大門。

負責該項目的麻省理工學院機械工程助理教授 Vivishek Sudhir 說：“沒有人觀察到重力如何作用于大量量子態。”?

但消除熱振動的影響后，他們現在可以有機會觀察引力對宏觀物體的影響了。

“這是迄今為止夢寐以求的事情”。

文章鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.abh2634

本文由Silas供稿。