科羅拉多大學(xué)科學(xué)家開發(fā)了一種新技術(shù)，使用同步機(jī)電放大和冷卻過程來測(cè)量機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其研究方法發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，能對(duì)機(jī)械振蕩器的位置進(jìn)行幾乎無噪音測(cè)量，目前為止，使用替代技術(shù)來測(cè)量運(yùn)動(dòng)是很困難的。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一羅伯特·德萊尼(Robert Delaney)說：我們的研究有兩個(gè)原因，首先正在使用這些機(jī)械系統(tǒng)在微波域和光域之間有效地轉(zhuǎn)換信號(hào)。

這兩個(gè)不同頻段之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，對(duì)于聯(lián)網(wǎng)未來的量子計(jì)算機(jī)或建立量子互聯(lián)網(wǎng)的等價(jià)物非常重要。世界各地的許多研究小組，目前正試圖開發(fā)真正量子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的宏觀機(jī)械振蕩器，用于實(shí)際應(yīng)用，例如力傳感，以及更大尺度上的量子力學(xué)測(cè)試。在這兩種情況下，表征和測(cè)量機(jī)械振蕩器在量子力學(xué)施加限制下的運(yùn)動(dòng)將至關(guān)重要。除了使微波和光域之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為可能，德萊尼和同事們還想找出一種方法來測(cè)量超出量子極限的這種運(yùn)動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，修改了一種被稱為反向動(dòng)作規(guī)避測(cè)量的技術(shù)。多年來，反作用回避測(cè)量一直被認(rèn)為是最有前途的單正交運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)之一，但至今取得的結(jié)果并不令人滿意。通過機(jī)械振蕩器與微波(或光學(xué))腔的相互作用，回動(dòng)規(guī)避測(cè)量理論上能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械振蕩器位置的無聲測(cè)量，在實(shí)踐中，這一直很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲⒉▓?chǎng)(或光學(xué))場(chǎng)和機(jī)械振蕩器之間額外相互作用導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定，這阻礙了連續(xù)測(cè)量。為了克服與機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的這些不穩(wěn)定性相關(guān)問題，研究人員修改了傳統(tǒng)反作用回避方案。

以便故意在機(jī)械振蕩器中引起不穩(wěn)定性，這最終使研究人員能夠收集振蕩器運(yùn)動(dòng)的脈沖測(cè)量。通過將兩個(gè)微波頻率泵應(yīng)用到被機(jī)械振蕩器諧振頻率失諧的微波諧振器上，可以增強(qiáng)機(jī)械振蕩器與微波場(chǎng)的相互作用。一個(gè)微波音調(diào)為紅色失諧，或低于微波腔的諧振頻率，而另一個(gè)音調(diào)為藍(lán)色失諧，或高于微波腔的共振頻率。研究人員使用的紅色失諧泵通過微波場(chǎng)冷卻機(jī)械振蕩器，其方式類似于激光冷卻技術(shù)冷卻原子的方式。另一方面，藍(lán)色失諧泵通過不斷地從微波場(chǎng)向振蕩器添加能量來放大機(jī)械振蕩器的運(yùn)動(dòng)。

藍(lán)色失諧的泵比紅色的大，當(dāng)以凈放大的方式組合時(shí)，這兩個(gè)不同過程干擾并放大機(jī)械振蕩器的位置或動(dòng)量(即，取決于泵的相位)，幾乎沒有噪聲。研究人員用來描述運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)正交分量只是機(jī)械振蕩器位置和動(dòng)量的無量綱版本。這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以幾乎無噪音地測(cè)量單個(gè)運(yùn)動(dòng)的正交，并且在表征脆弱的量子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，即使是少量的附加噪聲也會(huì)使感興趣的狀態(tài)變得模糊。要完全表征運(yùn)動(dòng)的量子狀態(tài)，需要執(zhí)行量子狀態(tài)層析成像，而這些狀態(tài)重建技術(shù)的理想測(cè)量是無噪聲單正交測(cè)量。

機(jī)械振蕩器用于幾個(gè)物理子領(lǐng)域，例如在更大尺度上研究量子力學(xué)、量子有限力傳感和量子信息時(shí)。因此，研究人員開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)可能對(duì)各種物理研究產(chǎn)生重要影響。在這項(xiàng)研究工作中，展示了對(duì)機(jī)械振蕩器位置的幾乎無噪音測(cè)量，這是以前使用的技術(shù)，如反向動(dòng)作回避測(cè)量或外部參數(shù)放大，很難實(shí)現(xiàn)的。研究還證明了瞬態(tài)機(jī)電放大可以用于仔細(xì)表征量子壓縮態(tài)，這是使用壓縮增強(qiáng)力傳感的先決條件。

在未來，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)引入的測(cè)量機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法可以為物理研究開辟新的視野，并為新工具的開發(fā)鋪平道路，包括力傳感技術(shù)和連接量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)。此外，該方法可以理想地表征在更奇異的量子態(tài)下制備機(jī)械振蕩器，例如疊加態(tài)或貓態(tài)，這是物理學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期尋求的目標(biāo)。現(xiàn)在的重點(diǎn)是使用機(jī)電/光機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行微波到光的轉(zhuǎn)換，當(dāng)與其他量子計(jì)算組件(如超導(dǎo)量子比特)集成時(shí)，可以使用這種技術(shù)來測(cè)量這個(gè)系統(tǒng)中機(jī)械振蕩器的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證是否產(chǎn)生了量子態(tài)。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.183603

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