迈向声音量子

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(即所谓的声学声子)的数量可以减少到几乎为零，并且弥合了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，使得将多种系统置于这种状态成为可能。

谐振器中两个镜子之间振荡的机械振动可以冷却到非常低的温度，直至量子基态。

对于可以传播高频声波的光纤来说，这还不可能。

现在，斯蒂勒研究小组的研究人员离这一目标又近了一步。

在他们最近发表在《物理评论快报》上的研究中，他们报告说，他们能够利用激光冷却将室温下光纤中的声波温度降低 219 K，比之前报道的温度降低了 10 倍。

最终，在 74 K(-194 摄氏度)的温度下，初始声子数减少了 75%。

如此大幅度的降温是通过激光的使用而实现的。

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，激光可以冷却声振动并创造一个热噪声较小的环境，例如，热噪声在某种程度上对于量子通信系统来说是“干扰”噪声。

“除了这种强相互作用之外，玻璃纤维的一个有趣的优点是，它们可以在长距离上出色地传导光和声音，”该文章的主要作者之一、该大学的博士生劳拉·布拉兹克斯·马丁内斯 (Laura Blázquez Martínez) 说道。斯蒂勒研究小组。

之前进入量子基态的大多数物理平台都是微观的。

然而，在该实验中，光纤的长度为50厘米，并且在整个50厘米光纤芯上传播的声波被冷却到极低的温度。

量子光声学小组负责人 Birgit Stiller 博士表示：“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，对如此长的声学声子的操纵为量子技术中的宽带应用开辟了可能性。”

在日常的古典世界中，声音可以理解为介质中的密度波。

然而，从量子力学的角度来看，声音也可以描述为一种粒子：声子。

这种粒子，即声量子，代表以特定频率的声波形式出现的最小能量。

为了观察和研究声音的单量子，必须最大限度地减少声子的数量。

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

斯蒂勒：“这打开了实验新领域的大门，使我们能够更深入地了解物质的基本性质。” 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。

声波作为连续体存在——不仅对于某些频率——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具有广阔的前景。

研究小组负责人强调说：“我们对将这些纤维推入量子基态所带来的新见解非常感兴趣。” “不仅从基础研究的角度来看，这使我们能够窥视扩展物体的量子本质，而且还因为它在量子通信方案和未来量子技术中的应用。”

来源: Materials provided by Max Planck Institute for the Science of Light.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Laura Blázquez Martínez, Philipp Wiedemann, Changlong Zhu, Andreas Geilen, Birgit Stiller. Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves. Physical Review Letters, 2024; 132 (2) DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.023603