边带冷却微机械运动至量子基态

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Sideband Cooling of Micromechanical Motion to the Quantum Ground State#

边带冷却微机械运动至量子基态#

J. D. Teufel, T. Donner, D. Li, J. W. Harlow, M. S. Allman, K. Cicak, A. J. Sirois, J. D. Whittaker, K. W. Lehnert, R. W. Simmonds

NIST Boulder · JILA · University of Colorado

Nature 475, 359–363 (2011)

摘要#

激光冷却技术的出现彻底改变了许多原子尺度系统的研究，把囚禁离子制备到运动基态 [1]、实现玻色-爱因斯坦凝聚 [2]。类似的冷却技术 [3,4] 为把宏观物体制备到运动基态提供了一条通用而灵活的途径，将微机械的强大技术带入量子区。腔光机械或电机械系统通过光与运动的强相互作用实现边带冷却 [5–15]。然而进入量子区（运动量子数小于 1）一直难以企及，因为边带冷却不足以压倒机械系统与热环境的耦合。本文演示把微机械振子的运动边带冷却到量子基态。 进入量子区需要大的电机械相互作用——通过把微机械膜嵌入超导微波谐振电路实现。为验证冷却进入量子区，我们对微波场做近量子极限的测量，从海森堡极限分辨出该运动，相差因子 5.1 [3]。此外，器件展现强耦合，允许微波光子与机械声子相干交换 [16]。同时实现强耦合、基态制备和高效测量，为运动非经典态的控制与检测的快速进展奠定了舞台 [17,18]，甚至可能在更大的尺寸和质量这一未探索区域检验量子理论本身 [19]。

背景与动机#

既能与环境解耦（高品质因子 $Q$）又能置于量子区的机械振子，能让我们以全新方式探索量子力学 [17–21]。要让振子处于量子区，必须能把它制备到基态、任意操控其量子态、并在接近海森堡极限处检测其状态。要把振子制备到基态，必须把温度 $T$ 降到 $k_BT < \hbar\Omega_m$（$\Omega_m$ 为共振频率）。

混合电路腔量子电动力学与微机械谐振器

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Hybrid Circuit Cavity Quantum Electrodynamics with a Micromechanical Resonator#

混合电路腔量子电动力学与微机械谐振器#

J.-M. Pirkkalainen, S. U. Cho, J. Li, G. S. Paraoanu, P. J. Hakonen, M. A. Sillanpää

O.V. Lounasmaa Laboratory, Aalto University

Nature 494, 211–216 (2013)

摘要#

具有本质上不同自由度的混合量子系统，在许多物理现象中扮演关键角色。熟知的例子包括腔量子电动力学 [1]、囚禁离子 [2]、固体中的电子与声子。这些系统中，强耦合使各组分失去个体性、形成缀饰态——一种集体动力学形式。混合系统既有基本重要性，也有实际应用，特别是在新兴的量子信息控制领域。一个有前景的方向是把长寿命原子态 [2,3] 与超导腔和量子比特 [4,5] 中可访问的电自由度结合。本文把电路腔量子电动力学 [6,7] 与声子整合。 我们的超导 transmon 量子比特 [8]（由隧穿结和电容组成）除了耦合到微波腔，还与微机械谐振器中的声子模相互作用，因而像一个耦合到两个不同腔的原子。我们测量了声子 Stark 频移，以及量子比特谱线劈裂为运动边带（缀饰电机械态间的跃迁）。在时域，我们观测到量子比特激发到声子的相干转换——边带 Rabi 振荡。这是一个具有量子接口潜力的模型系统，可实现量子信息在长寿命声子态中的存储、与光子的耦合，或研究近经典极限的强耦合量子系统。

背景与动机#

基于约瑟夫森结的超导量子比特 [5] 为较大系统中的量子力学提供了无与伦比的试验场，同时也是量子信息处理的有前景实现。近期 phase [9] 与 transmon [10–12] 量子比特已演示基本量子算法。后者在电路腔量子电动力学（QED）框架下运作——量子比特耦合到片上 [6] 或三维微波腔 [13]。电路腔 QED 可视为量子信息最可行的平台，它实现了量子比特耦合与量子态非破坏测量。

接下来的挑战包括：构建把量子比特态存储/取回于长寿命量子存储器的接口、空间分离超导量子比特间的量子通信 [14]。混合量子系统对此有前景，因为原则上能组合各组分的特定优势。宏观量子比特与自旋系综的合体因后者长寿命而诱人 [15,16]，但单原子自由度层面耦合小是缺点。

机械振子 on Yuunagi Library

边带冷却微机械运动至量子基态

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