Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential
本文通过将光学悬浮二氧化硅纳米颗粒的进动模式暴露于反转势中，展示了在室温下快速产生 11 dB 量子压缩的过程，该过程呈指数级加速了压缩进程，使其在 250 纳秒内超越了退相干。
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在微观世界中，物理定律的表现方式与我们的日常生活截然不同。其中最基本的规则之一是，我们对物体状态的测量精度存在极限。这并非由于我们的测量工具存在缺陷，而是自然界本身的一种内置特性，通常被称为量子不确定性。想象一下，试图同时测量一个微小粒子的位置和速度；你对其中一个属性定位得越精确，另一个就会变得越模糊。这种不确定性产生了一种背景“噪声”或抖动，即使在完美的真空中也存在，被称为真空涨落。对于试图制造超灵敏传感器或强大量子计算机的科学家来说，这种噪声是一个主要的障碍。为了解决这个问题，研究人员使用了一种称为“挤压”（squeezing）的技术。他们并不是试图完全消除噪声，而是重塑它。他们将一个属性（例如位置）的不确定性转移到另一个对当前任务不太重要的属性（例如动量）上。这使得他们能够更清晰地观察到想要寻找的信号，有效地创造出一种比自然界通常允许的状态更安静的物质状态。
几十年来，实现对机械物体的这种控制一直极其困难，尤其是对于比单个原子大的物体而言。大多数成功的实验都需要将物体冷却到接近绝对零度的温度，并使用复杂的电子电路来稳定它们。然而，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一个研究小组发现了一种方法，可以在室温下挤压微小固体物体的运动，而无需极低温环境。他们研究的是一个单个纳米颗粒，这是一个直径约为120纳米的二氧化硅球体簇，大约只有人类头发丝的千分之一细。这个颗粒并没有被胶水粘住或固定在表面上；相反，它是被一束激光束悬浮在半空中，这种技术被称为光学悬浮。通过在真空室中捕捉该颗粒，并利用同一束激光光来冷却其运动，研究人员将颗粒的旋转运动（或称章动）降低到了其最低能量状态，即量子基态。
当科学家们决定改变束缚粒子的“陷阱”规则时，突破出现了。通常情况下，激光光会创建一个稳定的碗状形状来保持粒子位于中心。如果粒子偏离中心，光就会将其推回，就像一颗放在碗底的大理石一样。然而，研究人员想要做一些不同的尝试。他们快速切换了激光偏振的方向，实际上是将这个“碗”颠倒了过来。在这种新的、反转的形状中，中心不再是一个安全的休息点，而是一个危险的顶峰。如果你把一颗大理石放在山顶上，哪怕是最微小的推动也会导致它滚落，而且滚得越远，加速就越快。这就是研究人员为他们的纳米颗粒创造的情景：一个反转的势能面，粒子就栖息在一个不稳定的峰顶之上。
当粒子被置于这种反转的势能面中时，其运动开始发生剧烈且可预测的变化。它不再是轻微地前后摆动，而是其位置和速度的涨落开始呈指数级增长。运动的一个方面被拉伸并放大，而垂直方向的另一个方面则被压缩和挤压。这个过程发生得极其迅速。在短短250纳秒内——这段时间如此之短，甚至不足单个振荡周期的五分之一——研究人员将粒子的运动挤压到了比真空涨落水平低11分贝的程度。这是一个显著的噪声降低，意味着粒子的运动状态比通常情况下可能达到的状态要精确得多。实验表明，通过使用这种反转势能，他们生成量子挤压的速度比环境破坏这种脆弱量子态的速度更快。
团队还观察了这种挤压态能存活多久。一旦粒子回到稳定的陷阱中，挤压态就开始消退，在大约30个振荡周期后最终恢复到正常的、充满噪声的状态。研究人员确定，这种衰减是由用于冷却和测量粒子的光本身引起的，光引入了一定量的随机噪声。他们计算出，如果能够移除这一特定噪声源，挤压态可以持续大约240个振荡周期，几乎是他们观察到的时长的十倍。这表明目前的限制并非基本物理定律，而是一个可以通过更好的实验设计来克服的技术障碍。
这项工作意义重大，因为它展示了一种在无需低温制冷的情况下控制大质量物体量子行为的新方法。以往实现如此强力挤压的方法依赖于极寒环境下的复杂电子装置。通过利用光来创造一个不稳定的势能面，研究人员证明了室温下的量子控制是可能的。这种能够快速生成挤压态并在室温下进行的技术，为开发能够探测极微弱力或粒子的新型传感器打开了大门。它还提供了一个测试量子力学边界的平台，让科学家能够观察多大的物体仍能遵循量子规律进行行为。该实验证明，通过操纵能量景观的形状，研究人员可以加速量子态的生成，为未来的量子传感和计量学提供了一个强大的新工具。
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