洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員克服了長期以來需要極冷環境的障礙，在室溫下控制量子現象，實現了量子力學的一個里程碑。這為量子技術應用和宏觀量子系統研究開啟了新的可能性。在量子力學領域，在室溫下觀測和控制量子現象的能力長期以來一直難以實現，尤其是在大尺度或”宏觀”尺度上。

操作裝置的概念圖，由兩個週期性分割的鏡子夾著一個裝有奈米柱的鼓組成，使雷射能在室溫下與鼓產生強烈的量子力學相互作用。圖片來源：EPFL 與第二灣工作室

傳統上，這種觀測只能在接近絕對零度的環境中進行，因為那裡的量子效應更容易被偵測到。然而，對極冷環境的要求一直是一個主要障礙，限制了量子技術的實際應用。

現在，EPFL 的托比亞斯-基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）和尼爾斯-約翰-恩格爾森（Nils Johan Engelsen）領導的一項研究重新定義了可能的界限。這項開創性工作融合了量子物理學和機械工程，實現了對室溫下量子現象的控制。

基彭伯格說：”幾十年來，實現室溫量子光力學一直是一個公開的挑戰。我們的工作有效地實現了海森堡顯微鏡–長期以來一直被認為只是一個理論玩具模型。”

在今天（2 月14 日）發表在《自然》雜誌上的實驗裝置中，研究人員創建了一個超低噪聲光機械系統–一種光與機械運動相互連接的裝置，使他們能夠高精度地研究和操縱光線如何影響移動物體。

晶體狀空腔鏡，中間是鼓。圖片來源：Guanhao Huang/EPFL

室溫的主要問題是熱噪聲，它會幹擾微妙的量子動力學。為了最大限度地減少熱噪聲，科學家使用了空腔鏡，這是一種專門的反射鏡，能在密閉空間（空腔）內來回反彈光線，有效地”捕獲”光線，並增強光線與系統中機械元件的相互作用。為了減少熱噪聲，這些鏡子採用了類似晶體的周期性（”聲子晶體”）結構。

另一個關鍵部件是一個4 毫米的鼓狀裝置，稱為機械振盪器，它在空腔內與光相互作用。它相對較大的尺寸和設計是將其與環境雜訊隔離的關鍵，這使得在室溫下探測微妙的量子現象成為可能。恩格森說：”我們在這項實驗中使用的鼓是多年努力的結晶，目的是製造出與環境隔離良好的機械振盪器。”

“我們用來處理難纏的複雜噪音源的技術，對更廣泛的精密感測和測量領域具有重要意義和影響，”領導該計畫的兩名博士生之一黃冠豪說。

這種量子現像是指透過操縱光的某些特性，如強度或相位，來減少一個變數的波動，而以增加另一個變數的波動為代價，正如海森堡原理所規定的那樣。

透過在他們的系統中演示室溫下的光學擠壓，研究人員表明，他們可以有效地控制和觀察宏觀系統中的量子現象，而無需極低的溫度。研究團隊認為，該系統在室溫下運作的能力將擴大量子光機械系統的使用範圍，而量子光機械系統則是量子測量和量子力學在宏觀尺度上的既定試驗平台。

另一位領導這項研究的博士生阿爾貝托-貝卡里（Alberto Beccari）補充說：”我們開發的系統可能會促進新的混合量子系統，在這種系統中，機械鼓與不同的物體（如被困的原子雲）發生強烈的相互作用。這些系統對量子資訊非常有用，有助於我們了解如何創建大型複雜量子態。”

編譯來源：ScitechDaily