瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和IBM欧洲研究中心的研究人员最近展示了激光冷却纳米机械振荡器到零点能量（即包含最小能量的点）的过程。他们的成功演示被《物理评论通讯》（Physical Review Letters）刊载，可能会对量子技术的发展产生重要影响。
很长一段时间以来，从事不同科学和技术领域的研究人员一直在开发利用物体的声学特性，如声学共振或机械振动等工具。例如，机械共振长期以来一直被用来处理信号或用于收集高度精确的测量数据。
在更基础的层面上，这些共振遵循量子力学定律。因此，未来利用材料的声学特性的技术也可以利用材料的量子力学特性，例如两个机械振动之间的纠缠或两个振动态的叠加等。
"这种进入量子体系的方式与其他量子技术相似，比如量子计算机，"进行这项研究的研究人员之一Itay Shomroni博士说。"这些相对较大的物体的量子性质被外部环境的影响所掩盖，其中最普遍的是热噪声，即由有限的温度引起的随机波动。"
要达到能够观察到量子机械效应的状态，研究人员首先要去除环境影响所产生的噪声。这可以通过将机械振荡器冷却到可能的最低能量状态，也就是所谓的基态来实现。
根据量子力学定律，振荡器在基态时不会冻结，相反，它所包含的能量最小，即所谓的'零点能量'。" 过去十年来，不同的研究小组利用各种纳米和微机械振荡器，越来越接近于将机械运动引入基态，从而达到零点能量。
"有一种方法是简单地将整个仪器冷却到极低的温度，在毫开尔文范围内，"Shomroni说，"但这增加了实验的复杂性，并引入了其他限制因素。我们的目标也一直是希望在我们的系统中达到几开尔文的工作温度，达到基态冷却。"
在他们的研究中，Liu Qiu、Shomroni和他们的同事们试图利用激光冷却技术将一个纳米机械振荡器冷却到零点能量。值得注意的是，他们能够达到极低的占用率（即92%的基态占用率），将系统推向量子态。
"我们用激光来冷却机械振荡器的运动，起初可能会让人感到惊讶，"Shomroni解释道。"这是一个众所周知的技术，在其他实验中也使用过。光对物质施加一种叫做辐射压力的力。只要施加的力是正确的，与物体的速度相反，就可以用来阻尼和冷却机械运动。"
在实验中，机械振动发生在一段长几微米、横截面为220纳米×530纳米的硅纳米光束上。这个部分还构成了一个光腔的一部分，研究人员将激光束注入其中。这个系统中的振动和光的压力是相互依存的，因此，它们之间的关系最终会对系统进行冷却。
"正如我们知道的那样，光也会因为被吸收而使物体发热，"Shomroni说。"为了将吸收的影响降到最低，我们用少量的氦气包围了我们的振荡器，这样多余的热量就可以迅速散去。"
利用他们基于激光冷却的方法，Qiu、Shomroni和他们的同事们能够将一个纳米机械振荡器冷却到非常接近其零点能量的程度。他们取得的结果证明了利用激光技术与机械振动的相互作用来冷却机械物体的方法的有效性。
研究人员还使用振荡器本身提供的免校准度量器，即其吸收率和发射率的比值，在原地测量了他们系统中的剩余热能。这种特殊的度量也被认为是振荡器的量子特性的标志。
将量子系统冷却到基态的能力可以为新的量子技术的发展和量子力学的进一步研究提供新的可能性。例如，这种能力可以在被称为薛定谔猫态的量子叠加态中创造出一个相对较大的机械物体。
此外，开发出一种能够使机械系统接近其零点能量的方法，可能会对量子计算产生重要影响。目前，IBM的研究人员正在尝试开发能够有效地转导量子信息的器件，将量子信息从超导量子转换为光学光子。
"这样的器件将作为一种手段，将基于超导准比特的量子计算机与光纤电缆连接起来，以创建一个量子网络，并进一步扩大计算能力，"进行这项研究的另一位研究人员Paul Seidler说，"到目前为止，最成功的微波-光转导方法是利用机械系统作为中介。对于这种应用，能够在机械系统的基态下初始化机械系统的能力可能是至关重要的。"
在未来的工作中，EPFL-IBM团队计划利用其将机械系统冷却到零点能量的技术，以新的有趣方式控制机械系统的运动。例如，研究人员希望探索他们的方法在产生各种奇特量子态方面的潜力。
论文标题为《Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy》。