Optomechanical crystal in light-resilient quantum ground state
本文提出了一种芯片级、无释放式硅光力晶体腔，该晶体腔实现了低温量子基态运行，且与悬浮设计相比，具有显著提高的热韧性和 18 dB 的热光效应抑制能力，尽管目前在脉冲操作动力学方面仍存在局限性。
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在寂静的量子科学世界中，研究人员正不断尝试在不同类型的能量之间搭建桥梁。想象一下，试图将携带你家中信息的无线电波与携带互联网数据的光束连接起来。这两种形式的能量通常互不往来；它们就像说着不同语言的陌生人。为了让它们进行交流，科学家们使用能够以极高速度振动的微小机械部件。这些部件充当了通用翻译器，捕捉微波信号的节奏并将其转化为振动，进而转化为光。然而，为了让这种转换完美运行，机械部件必须处于完全静止的状态，存在于其最低能量状态。如果部件哪怕只有轻微变热，它就会开始因随机的热噪声而抖动，从而破坏它试图携带的微妙量子信息。
挑战一直在于如何保持这些微型机器的低温。大多数这类设备被设计得像悬挂在空中的微型桥梁，与芯片的其余部分隔离，以防止能量损失。虽然这种隔离有助于它们清晰地振动，但也意味着它们没有办法排放被激光照射时产生的热量。本应控制它们的激光最终却导致了它们的升温，形成了一个难以打破的噪声循环。科学家们长期以来一直在寻找一种既能保持机械振动强劲，又能让热量轻松逃逸的设计，这种平衡在驱动现代技术的硅芯片中已被证明难以实现。
瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组现在展示了一种解决此问题的新方法。他们没有将机械装置悬挂在空中，而是将其直接构建在芯片的固体表面上。这种“无释放”设计通过物理定律（具体而言是一种声波在材料内部来回反弹而非向外泄漏的现象）将机械振动锁定在原处。由于该装置是粘附在芯片上的，因此由激光产生的任何热量都有直接路径逃逸到周围材料中，起到散热器的作用。研究人员在冷却至接近绝对零度的冰箱内测试了这种新设计，那里的温度比南极洲最寒冷的冬季还要冷得多，以观察它处理来自激光束的热量表现如何。
结果显示，该装置在处理光照方面有了显著改善。当研究人员将激光照射到悬浮版本的装置时，热量导致材料膨胀并改变其特性，在较低的功率水平下就破坏了实验。相比之下，新的无释放设计在表现出同样的程度的热干扰之前，可以承受强约35分贝的激光束。为了直观理解，新设计可以处理比旧设计高出数千倍的光强度，同时仍能保持机械振动足够平静，以在量子基态下运行。这意味着该设备可以处理更多信息，或者在不损失量子精度的情况下使用更亮的光。
团队通过计算由热量产生的单个声子（即声波粒子）的数量来测量设备的行为。他们发现，即使在激光注入显著增加能量的情况下，新设计也能将这些多余振动的数量控制在一点以下——这是量子操作所需的阈值。这种稳定性在连续光流和快速脉冲中均得到了观察。然而，研究人员也发现了一个复杂的情况。虽然设备在光脉冲后冷却速度很快，但冷却过程并不遵循简单、可预测的曲线。相反，热量似乎以一种无法平滑消散的方式徘り不前，这表明存在一个研究团队尚未完全识别出的隐藏热噪声源。这种残留的热量阻碍了设备在快速脉冲实验中的完美表现，尽管它在稳态、连续操作中仍然表现良好。
尽管仍存在这一谜团，但这些发现标志着一次重大的飞跃。研究表明，将这些精密的机械结构直接附着在芯片上并不会破坏它们的振动能力；事实上，这使它们在应对自身产生的热量时更加稳健。研究人员建议，这种新架构可能是构建更好的量子计算机和通信系统的关键，因为在这些系统中，微波与光之间的信号转换至关重要。通过解决热量问题，他们为在这些硅芯片上进行此前无法实现的强功率应用开辟了道路。这项工作也为科学家研究热量如何在微型结构中移动提供了一个新平台，其见解有望改进未来量子器件的设计。研究人员目前正致力于优化芯片表面，并在不同材料上测试该设计，以期消除残留噪声，并释放这些抗光性量子机器的全部潜力。
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