物理学家观察和控制量子运动

这是一个物理学家团队首次发现了一种观察和控制足够大的物体的量子运动的方法。

考虑祖父时钟的钟摆。如果你忘了风它，你最终会在休息时找到摆锤，不悬而未决。然而，这种简单的观察仅在古典物理学的水平上有效 - 似乎在人类规模上解释相对大物体物理的法律和原则。然而，量子力学，管理物质和光线基本行为的潜在的物理规则，原子规模，州没有什么可以完全完全休息。

首次首次，CALTECH研究人员和合作者的团队已经找到了一种观察和控制的方法 - 这种对象的量子运动足够大的物体。他们的结果发表于8月27日的杂志上的在线问题。

研究人员已知多年来，在古典物理学中，物理对象确实可能一动不动。将球放入一个碗中，它将来回滚动几次。然而，最终，这种运动将被其他力（例如重力和摩擦）克服，并且球将在碗底部停留。

“在过去的几年里，我的团队和世界各地的其他一部分群体已经学会了如何冷却小千米米级对象的运动，以在底部产生这种状态，或者量子地面状态，”基思说Schwab是一个应用物理学教授的Caltech教授，他领导了这项研究。“但是我们知道，即使在量子接地状态下，在零温度下，非常小的振幅波动 - 或噪音。”

因为这种量子运动或噪音是理论上是所有物体的运动的内在部分，Schwab和他的同事设计了一种允许它们观察这种噪音然后操纵它的装置。

微米级装置包括柔性铝板，其坐在硅衬底上。当板以每秒350万次的速率振动，板耦合到超导电路。根据经典力学的定律，如果冷却到地位，振动结构最终将变得完全休息。

但这并不是施包和他的同事在他们实际将春天冷却到实验中的地面状态时。相反，剩余的剩余能量 - 量子噪声。

“这种能量是大量的大自然描述的一部分 - 你不能把它拿出来，”Schwab说。“我们都知道Quantum Mechanics恰恰是为什么电子表现得很奇怪。在这里，我们将量子物理应用于相对较大的东西，您可以在光学显微镜下看到的设备，并且我们看到万亿原子中的量子效应而不是一个。“

由于这种嘈杂的量子运动始终存在并且无法删除，因此它会对一个可以精确地衡量对象的位置的基本限制。

但那个限制，Schwab和他的同事发现，不是不可逾越的。研究人员和合作者开发了一种操纵固有量子噪声的技术，发现可以定期减少它。来自McGill University和Florian Marquardt的Coauthors Aashish Clerk从Max Planck的光学研究所提出了一种控制量子噪声的新方法，预计将定期减少它。然后在CALTECH的Schwab的低温实验室中的微米级机械装置上实现了该技术。

“有两个主要变量描述了噪音或运动，”Schwab解释道。“我们认为我们实际上可以使其中一个变量的波动变得更小 - 以牺牲更大的其他变量的量子波动为代价。这就是所谓的量子挤压状态;我们在一个地方挤压了噪音，但由于挤压，噪音必须在其他地方喷出。但只要那些更嘈杂的地方不是你获得测量的地方，它就没关系了。“

控制量子噪声的能力可以用于提高非常敏感的测量的精度，例如通过Ligo，激光干涉测量引力波天文台，CALTECH-and MIT LED项目寻找引力波的迹象，在时空的织物中涟漪。

“我们一直在思考使用这些方法从脉冲脉中检测到引力波，令人难以置信的致密恒星，这是我们太阳压缩成10公里半径的质量，并在10到100秒的速度下旋转，”Schwab说。“在20世纪70年代，Kip Thorne [Caltech's Richard P. Feyynman教授理论物理学，Emeritus]和其他人写了论文，说这些脉冲条应该发射几乎完全定期的重力波，因此我们难以思考如何使用这些Schwab说，克尺寸对象上的克尺寸对象中的技术，以减少探测器中的量子噪声，从而提高对这些重力波的敏感性。“

为此，必须缩放当前设备。“我们的工作旨在检测更大，更大的尺度的量子力学，我们的希望是，我们的希望最终会开始触摸引力波浪的东西，”他说。

这些结果在标题的一篇标题中公布了“机械谐振器中的量子挤压。”除施瓦夫，店员和马奎尔特外，其他同志包括前研究生Emma E.Wollman（博士'15）;研究生陈U.雷和阿里J. Weinstein;前博士生学者君浩苏;德国埃尔兰根弗里德里希 - 亚历山大大学的Andreas Kronwald。该工作由国家科学基金会（NSF），国防高级研究项目机构以及量子信息和物质研究所，这是一个NSF物理领域中心，也支持戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。

出版物：E. E.Wollman等，“Quantum挤压在机械谐振器中的运动”，2015年8月28日科学：卷。 349号。 6251 pp。952-955; DOI：10.1126 / science.aac5138

图像：Chan Lei和Keith Schwab / Caltech