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观察控制量子运动新方法:有助于发现时空涟漪

据国外媒体报道,时空涟漪-引力波有助于揭示140亿年前宇宙形成的奥秘。但是迄今为止,发现这种引力波依然是一件很困难的事情。现在,美国科学家宣称他们找到了一种新的方法,这种方法能够增加引力波的发现概率。加州理工学院的研究人员宣称,他们找到了一种新的方法,能够观察和控制相对较大物体的“量子运动”。
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时空涟漪-引力波有助于揭示140亿年前宇宙的形成。但是迄今为止,发现这种引力波依然是一件很困难的事情。现在,美国科学家宣称他们找到了一种新的方法,这种方法能够增加引力波的发现概率。
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经典物理学的原理只适用于解释较大尺度物体的物理现象,而在量子力学的尺度上,没有物体是真正静止的。
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Schwab教授和他的团队设计了一个微米级的装置,该装置能够观测到量子噪声并且控制它。这个装置是由一个柔性铝片置于硅基质表面组成,当铝片以350万次每秒的频率振动时,就会与超导电路相连通。
现在经典物理学的原理只适用于解释较大尺度物体的物理现象,而在量子力学的尺度上,没有物体是真正静止的。加州理工学院应用物理学教授Keith Schwab称:“在过去几年中,我们和世界上的其它一些团队找到了一种方法,该方法通过冷却来使微米级的物体静止,冷却后的物体会回到量子基态从而静止。但是即使处于量子基态,物体仍然有微小的振动,也可以称之为“噪声”。”
理论上量子振动或者叫量子噪声是所有物体所固有的本质运动,永远不会消失,因此它可以被用于检测引力波的存在。Schwab教授和他的团队设计了一个微米级的装置,该装置能够观测到量子噪声并且控制它。这个装置是由一个柔性铝片置于硅基质表面而组成,当铝片以350万次每秒的频率振动时,就会与超导电路相连通。
根据经典物理学理论,当振动装置最终冷却至基态时,就会完全静止。然而实验观察并非如此,Schwab和他的团队成员发现,当装置处于基态时,残余能量,也就是量子噪声依然存在。Schwab教授称:“这种能量是用来描述量子世界本质的。我们知道量子力学可以用来解释电子行为。但在此处,我们将量子物理学应用于相对较大的物体上,这样就能在光学显微镜下进行观察,我们所观察的不是一个而是上万亿个原子的量子效应。”随后,科学家找到了一种能够控制量子噪声的方法,并且能够周期性地减少量子噪声。
Schwab解释说:“主要有两个变量用来描述这种运动或噪声,通过实验证实我们确实能够将第一个变量的波动变小,但同时会导致第二个变量的波动变大,这就是所谓的量子压缩态。我们在一个地方压缩了噪声,但是由于压缩,噪声不得不跑到其它地方。不过,只要那些地方不是我们所需要测量的,就无关紧要。”
未来,这种控制量子噪声的方法可以被用来提高灵敏度极高的测量的精度,例如激光干涉引力波天文台(LIGO)进行的测量。LIGO进行的这种测量主要用来寻找引力波的存在。Schwab教授称:“我们的工作目的就在于能够在更大的物体尺度上进行量子力学检测,直到有一天能真正探测到引力波”。
他们的研究成果已经发表在《科学》杂志上,题为”机械谐振器内受压缩的量子运动(Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator)”。
[整理:CALONYE]

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