在波导中达到声音的量子基态：科学家更近了一步

艺术家对光纤锥度中冷却声波的印象。图片来源：Long Huy Da

由Birgit Stiller博士领导的马克斯·普朗克光科学研究所的一组科学家成功地将波导中的行进声波冷却得比以前使用激光所能达到的要远得多。这一成就代表了朝着达到波导中声音的量子基态的最终目标迈出的重要一步。

可以消除室温下声波产生的不需要的噪音。这种实验方法既提供了对声音从经典现象到量子现象的转变的更深入理解，又与量子通信系统和未来的量子技术相关。

通过完全冷却系统可以达到一定频率的声波的量子基态。通过这种方式，对量子测量造成干扰的量子粒子（即所谓的声子）的数量可以减少到几乎为零，并弥合经典力学和量子力学之间的差距。

在过去的十年中，已经取得了重大的技术进步，使得将各种系统置于这种状态成为可能。谐振器中两个反射镜之间振荡的机械振动可以冷却到非常低的温度，直到量子基态。对于高频声波可以传播的光纤来说，这还是不可能的。现在，斯蒂勒研究小组的研究人员已经向这一目标迈进了一步。

在他们最近发表在《物理评论快报》上的研究中，他们报告说，他们能够使用激光冷却将最初在室温下将光纤中的声波温度降低219 K，比以前报道的要高出十倍。最终，在74 K，-199 Celsius的温度下，初始声子数减少了75%。

使用激光可以大幅降低温度。传播声波的冷却是通过受激布里渊散射的非线性光学效应实现的，其中光波与声波有效耦合。

通过这种效应，激光冷却了声学振动，并创造了一个热噪声较小的环境，例如，在某种程度上，这是量子通信系统的“干扰”噪声。“除了这种强烈的相互作用之外，玻璃纤维的一个有趣的优势是它们可以在长距离内出色地传导光和声音，”该文章的主要作者之一、斯蒂勒研究小组的博士生劳拉·布拉斯克斯·马丁内斯说。

实验室中的实验装置。图片来源：SAOT Max Gmelch

以前被带到量子基态的大多数物理平台都是微观的。然而，在这个实验中，光纤的长度为50厘米，延伸到光纤纤芯整个50厘米的声波被冷却到极低的温度。

“这些结果是朝着波导中的量子基态迈出的非常令人兴奋的一步，对如此长的声子的操纵为量子技术中的宽带应用开辟了可能性，”量子光声学小组负责人Birgit Stiller博士说。

在日常的古典世界中，声音可以被理解为介质中的密度波。然而，从量子力学的角度来看，声音也可以被描述为一种粒子：声子。这个粒子，即声量子，代表了在特定频率下以声波形式出现的最小能量。为了观察和研究单个量子的声音，必须尽量减少声子的数量。

在量子基态中，通常更容易观察到声音从经典行为到量子行为的转变，其中声子的数量平均接近于零，因此振动几乎被冻结，可以测量量子效应。

斯蒂勒说：“这为新的实验领域打开了大门，使我们能够更深入地了解物质的基本本质。使用波导系统的优点是光和声音不会束缚在两个镜子之间，而是沿着波导传播。声波作为一个连续体存在，不仅针对特定频率，而且可以具有很宽的带宽，这使得它们在高速通信系统等应用中很有前途。

“我们非常热衷于将这些光纤推入量子基态将带来的新见解，”研究小组负责人强调说。“不仅从基础研究的角度来看，使我们能够窥探扩展物体的量子性质，还因为它可能在量子通信方案和未来量子技术中具有应用。

更多信息：Laura Blázquez Martínez 等人，行进超音速波的光声冷却，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.023603

期刊信息： Physical Review Letters

来自：量子梦