326、【轉載】量子力學預測的最低溫度被突破：萬物沉寂的世界

來自專欄前沿科技的道德哲學反思

量子力學預測的最低溫度被突破，這是一個萬物沉寂的世界

近日，美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家將一個機械物體的溫度降至新低，突破了所謂的「量子極限」。

2017年1月12日，《自然》雜誌刊文介紹了NIST的這個新實驗。文章描述了如何將一隻納米尺度上的機械鼓---- 一個可以振動的鋁薄膜----冷卻到低於五分之一個能量量子的溫度，這個溫度低於量子力學預言的最低溫度。

NIST的科學家說，理論上這個技術可以把物體冷卻到絕對零度，這是一個萬物沉寂、沒有能量、也沒有運動的溫度。

「鼓被冷卻到的溫度越低，在應用中的表現就越好，」該實驗的負責人、NIST物理學家John Teufel說。「感測器會更加地靈敏；儲存器可以保存更久的信息。若用來造量子計算機，計算過程會沒有任何失真，可以準確地給出你想要的答案。」

「實驗結果對該領域的專家來說完全是個驚喜！」Teufel的小組的另一位主要負責人Jose Aumentado說，「這是一個十分優美的實驗，必將產生巨大影響。」

鋁鼓的直徑200納米，厚度100納米，它嵌在一個特殊設計的超導電路中，鼓的振動可以影響在其腔體中來回反射的微波。微波也是電磁波的一種，是一種看不見的「光」，比起可見光來，它的波長更長，頻率更低。

腔體中的微波會調整自身頻率來適應鼓的自然共振頻率。每一個鼓腔都有一個自然共振頻率，像「聲調」一樣。用手指在裝有水的水杯邊緣磨擦，水杯會嗡嗡作響，杯中水量決定水杯空腔的大小，從而產生不同的音調。鼓腔的自然頻率也是同樣的道理。

NIST的科學家曾將量子鼓冷卻到它的基態，即三分之一個能量量子。他們使用了一種叫邊帶冷卻（sidebandcooling）的方法，在超導電路上施加了一個頻率略低於鼓腔諧振頻率的振蕩電流，鼓腔在電流作用下振動產生相同頻率的光子，如前所述，這些光子又會被調整到略高的鼓腔自然諧振的頻率上。

我們知道，光子的頻率越高，能量就越大，多餘的能量自然來自量子鼓本身。當光子積累到一定程度後便從鼓中溢出，帶走這些能量，鼓就被冷卻下來了。這個原理與大名鼎鼎的激光冷卻原理大同小異，1978年NIST第一次用激光冷卻了一個原子，如今激光冷卻已經被應用於原子鐘等廣泛領域。

最近的一次NIST實驗又有了新的改進----使用「壓縮態光」（squeezed light）來驅動電路。「壓縮」（Squeezing）是一個量子力學的概念，一個處於壓縮態的光子，其噪音或量子擾動被壓縮到了最低。

在量子擾動的制約下，傳統技術只能將物體冷卻到了某一個最低溫度，NIST的團隊通過使用壓縮光，獲得了更加精確的電流頻率。這個特殊的電路可以產生十分「純凈」的光子，將量子擾動控制在最低水平，從而突破了最低溫度的限制。

「光子的噪音（即光子動量和位置的不確定性）會增加光子隨機碰撞腔壁的概率，這種碰撞反而會加熱腔體，我們通過對光子態的振幅和相位在某個特定方向上進行壓縮，產生了完全相干的光子，和更加穩定的光場」，Teufel說，「這些光子既脆弱又強大。」

NIST的實驗證明了壓縮態光可以突破一直以來的冷卻極限，Teufel說，這也適用於更大的物體或者低頻的物體，這些往往是最難冷卻的。

量子鼓有著很多應用，比如由量子計算機和經典計算機組成的混合型計算機，理論上說，量子計算機在某些目前還十分棘手的計算問題上會得心應手。

編輯：樑柱

引自：量子力學預測的最低溫度被突破，這是一個萬物沉寂的世界

（2018.7.31）