科學(xué)家打造無噪聲聲子激光器，助力解鎖量子指南針

聲子激光器有望用于制造比射頻設(shè)備更小、更快、更節(jié)能的微芯片。

羅切斯特大學(xué)和羅切斯特理工學(xué)院的科學(xué)家研發(fā)出一種壓縮聲子激光器，有望幫助開發(fā)"無法干擾"的導(dǎo)航系統(tǒng)，并深入探索糾纏等量子現(xiàn)象。

激光器自20世紀(jì)60年代首次發(fā)明以來，為研究和實(shí)際應(yīng)用開辟了新途徑。從矯正視力手術(shù)到核聚變研究的等離子體約束，從娛樂到超市加快結(jié)賬速度，激光如今已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/p>

雖然我們使用的激光器控制的是光子（即光粒子），但科學(xué)家也制造出了控制其他基本粒子（如振動(dòng)和聲音）的激光器。這些粒子被稱為聲子，為量子物理、引力和粒子加速等領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了可能。

聲子為何重要？

聲子是準(zhǔn)粒子，因?yàn)樗鼈兇砹藦椥越Y(jié)構(gòu)振動(dòng)模式在量子力學(xué)量子化中的激發(fā)態(tài)。簡(jiǎn)單來說，就像光子是量子化的光波一樣，聲子就是量子化的聲波。

這一概念于1930年首次提出，其重要性在于有助于理解凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)。經(jīng)典力學(xué)將簡(jiǎn)正模式視為波狀現(xiàn)象，而聲子也表現(xiàn)出粒子般的特性，因此獲得了"準(zhǔn)粒子"的稱號(hào)。

羅切斯特大學(xué)光學(xué)物理學(xué)教授尼克·瓦米瓦卡斯與同事于2019年演示了一種聲子激光器。研究人員利用光鑷在真空中捕獲并懸浮聲子，展示了這項(xiàng)技術(shù)，但也遇到了噪聲問題。

降低聲子激光器的噪聲

瓦米瓦卡斯在新聞稿中表示："雖然肉眼看去激光是穩(wěn)定的光束，但實(shí)際上存在很多波動(dòng)，當(dāng)用激光進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。通過用光以恰當(dāng)方式推拉聲子激光器，我們可以顯著降低這種聲子激光器的波動(dòng)。"

研究人員成功壓縮了聲子激光器固有的熱噪聲，并且能夠比基于光子的激光器或射頻源更精確地測(cè)量加速度。

研究人員還相信，他們的設(shè)備可用于精確測(cè)量重力和其他力。綜合起來，這些技術(shù)可用于制造量子指南針，這種指南針不僅更精確，而且由于不依賴衛(wèi)星運(yùn)行，因而"無法被干擾"。

由于高頻聲學(xué)振蕩也可用于操縱量子態(tài)，聲子激光器可用于更詳細(xì)地研究這些量子態(tài)，為未來的量子傳感和量子計(jì)算開辟道路。

此外，聲子激光器可作為表面聲波源，用于操作微芯片。用這些芯片制造的設(shè)備將比基于射頻的設(shè)備更快、更小、更節(jié)能。

由于聲波比光波更能有效地穿過含水組織，研究人員還熱衷于開發(fā)基于聲子的激光器，以便未來實(shí)現(xiàn)精確的超聲成像甚至無創(chuàng)治療。

瓦米瓦卡斯及其同事熱切期待這項(xiàng)技術(shù)在未來這些方面取得進(jìn)展。

他們的研究成果發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

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