室温下的“量子飞跃”：超低噪声系统实现光学压缩

在量子力学领域，在室温下观察和控制量子现象的能力长期以来一直难以捉摸，尤其是在大尺度或“宏观”尺度上。传统上，这种观测仅限于接近绝对零度的环境，在那里更容易检测到量子效应。但对极冷的要求一直是一个主要障碍，限制了量子技术的实际应用

现在，由EPFL的Tobias J.Kippenberg和Nils Johan Engelsen领导的一项研究重新定义了可能的边界。这项开创性的工作融合了量子物理学和机械工程，实现了对室温下量子现象的控制

Kippenberg说：“几十年来，达到室温量子光学机制一直是一个悬而未决的挑战。我们的工作有效地实现了海森堡显微镜——长期以来被认为只是一个理论玩具模型。”

在他们发表在《自然》杂志上的实验装置中，研究人员创造了一种超低噪声的光学机械系统，这种系统使光和机械运动相互连接，使他们能够高精度地研究和操纵光如何影响运动物体

室温的主要问题是热噪声，它扰乱了微妙的量子动力学。为了最大限度地减少这种情况，科学家们使用了腔镜，这是一种专门的反射镜，可以在有限的空间（空腔）内来回反射光线，有效地“捕获”光线，并增强其与系统中机械元件的相互作用。为了减少热噪声，反射镜被图案化为类似晶体的周期性（“声子晶体”）结构

另一个关键部件是一个4毫米的鼓状设备，称为机械振荡器，它与腔内的光相互作用。它相对较大的尺寸和设计是将其与环境噪声隔离的关键，从而有可能在室温下检测到微妙的量子现象

“我们用于处理臭名昭著的复杂噪声源的技术与更广泛的精密传感和测量领域具有高度的相关性和影响，”领导该项目的两名博士生之一黄冠浩说

这种设置使研究人员能够实现“光学压缩”，这是一种量子现象，根据海森堡原理，光的某些性质，如强度或相位，被操纵以减少一个变量的波动，而牺牲增加另一个变量中的波动

通过在他们的系统中演示室温下的光学压缩，研究人员表明，他们可以在不需要极低温度的情况下有效地控制和观察宏观系统中的量子现象。最重要的是

该团队相信，在室温下操作该系统的能力将扩大量子光学机械系统的使用范围，这些系统是在宏观尺度上建立的量子测量和量子力学的试验台

领导这项研究的另一位博士生Alberto Beccari补充道：“我们开发的系统可能会促进新的混合量子系统，在这种系统中，机械鼓与不同的物体（如被捕获的原子云）发生强烈的相互作用。”。“这些系统对量子信息很有用，有助于我们理解如何创建大而复杂的量子态。”