洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家實現了一項突破，他們將六個機械振盪器同步到集體量子態，從而能夠觀測到量子邊帶不對稱等獨特現象。 這項進展為量子計算和感測領域的創新鋪平了道路。

用於研究量子集體現象的六元宏觀機械振盪器。 來源：Mahdi Chegnizadeh (EPFL)

量子技術正在徹底改變我們對宇宙的認識，其中一個前景廣闊的領域涉及宏觀機械振盪器。 這些設備已經成為石英手錶、手機和電信雷射器不可或缺的一部分，它們可能在量子領域發揮變革性作用。 在量子尺度上，宏觀振盪器有可能實現超靈敏感測器和量子運算的先進元件，為多個產業帶來突破性創新。

在量子層面實現對機械振盪器的控制，是實現這些未來技術的關鍵一步。 然而，要對它們進行集體管理卻面臨著巨大的挑戰，因為這需要幾乎完全相同的單元和超高的精確度。

量子光學的大部分研究都以單一振盪器為中心，展示了基態冷卻和量子擠壓等量子現象。 但集體量子行為卻並非如此，在這種情況下，許多振盪器如同一個整體。 雖然這些集體動力學是創建更強大量子系統的關鍵，但它們要求對具有幾乎相同特性的多個振盪器進行異常精確的控制。

洛桑聯邦理工學院托比亞斯-基彭伯格（Tobias Kippenberg）領導的科學家現在實現了長期追求的目標：他們成功地製備了處於集體狀態的六個機械振盪器，觀察了它們的量子行為，並測量了只有當振盪器作為一個群體行動時才會出現的現象。 這項發表在《科學》上的研究標誌著量子技術向前邁出了重要一步，為大規模量子系統打開了大門。

這項研究的第一作者馬赫迪-切格尼扎德（Mahdi Chegnizadeh）說：”這得益於超導平台中機械頻率之間極低的無序度，低至0.1%。這種精確度使振盪器能夠進入一種集體狀態，在這種狀態下，它們的行為是一個統一的系統，而不是獨立的組件。

為了觀測測量子效應，科學家使用了邊帶冷卻技術，將振盪器的能量降低到量子基態–量子力學允許的最低能量。

邊帶冷卻的工作原理是用雷射照射振盪器，雷射的頻率略低於振盪器的固有頻率。 光的能量與振動系統相互作用，從而從中減去能量。 這個過程對於觀察微妙的量子效應至關重要，因為它可以減少熱振動，使系統接近靜止。

“透過增加微波腔和振盪器之間的耦合，系統從個體動力學過渡到了集體動力學。更有趣的是，透過在量子基態中製備集體模式，我們觀察到了量子邊帶不對稱，這是量子集體運動的特徵。

研究人員還觀察到了更高的冷卻率和”暗”機械模式的出現，即不與系統空腔相互作用並保持更高能量的模式。

這些發現為機械系統中的集體量子行為理論提供了實驗證實，並為探索量子態開啟了新的可能性。 這些發現對未來的量子技術也有重大影響，因為在機械系統中控制集體量子運動的能力可推動量子感測和多方糾纏的產生。

編譯自/ scitechdaily