Science：低至77纳开 一面冷却至量子基态的镜子

近日，曾经探测到引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）在Science发表重磅论文，成功地使人类尺度的宏观物体冷却到接近量子基态。

机械物体的运动，即使是人类大小的物体，也应该受到量子力学规则的支配。然而，物体运动的任何量子特征均被微观的热涨落环境所掩盖，目前可通过冷却到接近绝对零度来消除大部分热振动（或声子），将物体诱导进入运动量子基态，即所有的原子几乎都处于静止状态，仅剩残余的量子运动。但目前冷却对象都为囚禁的单原子/离子，或为纳米级别。

为了阻止一个物体的运动，人们可以对它施加一个相等且相反的力。精确测量原子热运动的幅度和方向，并通过激光来施加反作用力减缓其运动，从而在宏观上降低了温度——这种技术被称为激光冷却。

Chris Whittle等人使用LIGO的悬浮反射镜形成了一个10公斤的光机械振荡器，通过主动激光冷却将如此大的物体从室温降到77纳开氏度（1纳开尔文=十亿分之一开），从而使之接近运动量子基态，即能量最低态。

图1：研究人员在检查LIGO的反射镜。图片来源https://news.mit.edu/2021/motional-ground-state-ligo-0618

将物体冷却到低温可以提高传感器的灵敏度和大多数设备的运行性能。通过这种操作可以从根本上上消除热振动带来的误差影响，从而增加LIGO对引力波的敏感性和感知范围，同时也将量子力学的研究扩展到大型物体。

LIGO

先进的LIGO是一对迈克尔逊干涉仪，每个都有4公里长的法布里-珀罗（Fabry– Pérot）臂腔，并由悬挂在熔融石英纤维上的40公斤重的反射镜组成（图1A）。由迈克尔逊干涉仪检测到的任一臂中每个此类振荡器的差速运动，并形成一个有效质量为10 kg的光机械振荡器，包含约 1x10²⁶或近1倍的原子，同时振荡器以 Ω₀≈2π · 0.43Hz的频率跟随悬浮反射镜的钟摆运动，而它的位移会因为n_th[Ω₀]≈10¹³个声子的存在而产生波动。随后干涉仪将差分臂的运动谐振转换为反对称端口处的光功率波动，并由零差检测来检测。 

图2：LIGO干涉仪示意图。(A) 激光在分束器处分开并重新组合，形成迈克尔逊干涉仪。通过每条臂末端的法布里-珀罗腔和信号回收反射镜形成响应。能量回收镜的使用和压缩光的注入增强了灵敏度。插图显示了悬挂系统中的四个40公斤镜子，反射镜悬挂在熔融石英丝（紫色）上，品质因数Q ≈ 8×10⁷，它们可以通过施加在电极（黄色）上的电压引起静电力移动。(B) 在100至200 Hz时干涉仪的位移灵敏度（红色）为 2×10^-20m/Hz^1/2，其中主要是散粒噪声（浅红色），通过注入挤压真空（红色）和外部技术噪音（灰色）而被抑制约 3 dB。蓝带则显示了钟摆模式被捕获和冷却的频率间隔。

作为冷却的对象不是那四个40公斤重的镜子，二是四个镜子的相对运动——形成了一个10公斤级别的光机械振荡器。

通过激光来测量镜子上原子的运动和其他量子效应。激光的单个光子从镜子反弹以收集有关其运动的信息时，同时光子的动量也会推回镜子并造成扰动。有了每面镜子上量子扰动和经典扰动的完整记录，研究人员通过在每个镜子背面连接的电磁铁施加了相等且相反的力。这种作用使镜子的原子集体运动几乎停止，以至于它们的移动不超过10^-20米，不到质子大小的千分之一。

图3：囚禁10千克的振荡器并冷却至10量子。(A) 对于阻尼滤波器的每个设置，振荡器的有效磁化率，通过在每个频率激励反馈回路并在相同频率解调其响应来测量。这些线显示了对具有附加延迟的阻尼谐振子的磁化率模型的拟合。 对应的相位响应产生 t = 0.9 ms。(B) 当阻尼增加时振荡器的位移谱。实线显示了对观察到的频谱模型的拟合，其中有效磁化率由 (A) 中的响应测量确定，并且只有频率相关的不精确噪声和力噪声是可变的。插图显示了主面板中每条曲线的推断平均声子占有率作为阻尼品质因数的函数。还显示了具有模型不确定性（灰色带）的模型（黑色虚线）。

10公斤振荡器的最小声子占据，对应于图3B中的紫色轨迹，推断为10.8±0.8。这相当于77纳开尔文的有效模式温度，非常接近其运动量子基态。该演示为如此大质量的物体创造了量子态纯度（≈10% 基态保真度）的新记录（图4）。这种冷却将量子反作用噪声抑制了11个数量级。这代表某个在接近其运动基态时所制备物体的质量会增加13个数量级。

图4：一系列振荡器的冷却实验。冷却结果在宏观质量范围内创下了新纪录，达到了 10.8 ± 0.8 声子。

接近基态的大质量物体的制备为宏观量子现象和量子计量学的更复杂的演示和应用打开了大门。

负责该项目的麻省理工学院机械工程助理教授 Vivishek Sudhir 说：“没有人观察到重力如何作用于大量量子态。” 

但消除热振动的影响后，他们现在可以有机会观察引力对宏观物体的影响了。

“这是迄今为止梦寐以求的事情”。

文章链接：
https://doi.org/10.1126/science.abh2634

本文由Silas供稿。