Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

在物理学界，微观世界与日常世界之间存在着一条基本的鸿沟。在原子和亚原子粒子的尺度上，物体的行为非常奇特：它们可以同时处于多种状态，且其属性是模糊的，由概率而非固定值来定义。这就是量子力学的领域。相比之下，我们所见、所触的物体——如椅子、汽车和人——则遵循经典物理学的可预测规律。一个多世纪以来，科学家们一直在思考这两者之间的界限究竟划在哪里。为什么宏观物体不会表现得像量子粒子那样？为了回答这个问题，研究人员正试图将越来越大的物体推入量子领域，迫使它们服从微观世界的奇特规则。这项努力的一个关键部分涉及“挤压”（squeezing）技术，该技术通过减少物体在一个方向上的自然运动模糊性，同时允许其在另一个方向上增加。如果科学家能将一个大型物体的运动挤压得足够厉害，他们就能将其制备成一种特殊的量子态，从而为测试引力和量子力学如何相互作用提供一种新方法。

一支研究团队现在通过成功挤压一个微小但属于宏观尺度的机械物体的运动，向这一目标迈出了重要一步。该物体是一个悬臂梁（cantilever），即一个由砷化镓制成的微型跳板，重量仅为 50 纳克。虽然这个质量对于人类感官来说极其轻微，但相对于通常在量子实验中研究的原子而言，它又是巨大的。该团队成功地将这个悬臂梁制备成一种“经典挤压”态，在这种状态下，其位置的不确定性被降低到了仅略高于量子物理所允许的绝对最小值——即零点涨落（zero-point fluctuation）的水平。他们实现的最小不确定度为该基本极限的 1.07 倍。这一结果比以往使用类似方法的研究尝试要好三个数量级，代表了精密度的巨大飞跃。

这项实验依赖于光与运动之间巧妙的相互作用。研究人员将这个微小的悬臂梁置于真空室中，并用激光照射它。当光线从悬臂梁反射时，它携带了关于物体位置的信息。通过非常精确地测量这些光，团队能够实时追踪悬臂梁的运动。然而，仅仅观察物体是不够的，因为测量行为本身也会对物体产生推力，从而引入一种被称为“反作用力”（back-action）的噪声冲击。为了克服这一点，研究人员使用了一种称为“条件态制备”（conditional state preparation）的技术。他们将测量数据输入到一个计算机滤波器中，该滤波器根据悬臂梁过去的行为来预测其位置。通过利用这种预测来比单纯依靠原始测量更清晰地理解物体的状态，他们实际上能够从物体的某一方面运动中将噪声“挤压”出去。

他们成功的关键在于测量速度相对于悬臂梁振动频率的速度。为了使挤压奏效，他们收集信息的速度必须足够快，以跟上物体的自然振荡。在本次实验中，测量速率约为悬臂梁共振频率的 54%，这一条件允许他们打破能量在位置和动量之间均匀分配的常规平衡。相反，他们成功地显著降低了位置测量的确定性，而动量测量的确定性则增加了，这种权衡正是挤压态的一个特征。最终结果显示，位置的不确定性被降低到了零点水平的 1.07 倍，而动量的不确定性则上升到了近 8 倍，这清楚地证明了能量不再是均匀分配的。

尽管取得了这一令人印象深刻的成就，研究人员仍谨慎地指出，他们尚未完全达到“量子挤压”状态。他们的状态被描述为“经典挤压”态，因为虽然它违反了能量分布相等的经典规则，但尚未跌破基本量子噪声底线，无法证实其为一个完全的量子力学态。实验受到了各种噪声源的限制，包括电子干扰以及保持激光完美稳定的难度。团队发现，非平稳噪声（随时间不可预测地变化）阻碍了他们进行实时数据过滤以创建确定的量子态。然而，他们的工作证明了该方案的可行性。通过展示基于测量的方法可以如此有效地挤压宏观物体，他们为未来的实验铺平了道路。随着在减少噪声和提高测量效率方面的进一步改进，团队相信很快就能制备出更大型的物体，甚至可能包括用于引力波探测器的巨大反射镜，使其进入真正的量子挤压态。这一进展使科学家们离理解量子世界如何向我们日常经历的经典世界过渡又近了一步。