作者:F. Massel 来源:《自然》 发布时间:2012-1-4 13:45:42
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机械放大器首次接近量子噪声极限
有望用于量子计算机研制

 
基于Z字形腔室(左)和机械梁(右)的一种新放大器能够产生接近于量子噪声极限的噪声。图片来源:M. A. Sillanp
 
对于许多现代技术而言,在放大电信号的同时将噪声最小化是至关重要的。如今,科学家研制出了一种装置,能够在放大微波的同时实现量子力学所允许的最小噪声。这种装置能够被用来处理量子计算机的敏感输出,后者被期待在未来几年中胜过传统计算机。
 
噪声是电信号中始终存在的。有些噪声的出现仅仅是因为原子具有热量——它们会拥挤在一起、彼此发生碰撞。然而即便在没有热量时——当温度被降低至接近绝对零度——噪声依然存在。这是缘于量子力学的一条基本原理,即空间中总是充满了波动的能量,或者说量子悸动。
 
将噪声降至这一量子极限已经超过了大多数电子放大器的范畴。一些配备了超导体的特殊装置能够做得很好,因为前者能够将其与环境隔离。但是此类装置也有另外的缺陷,特别是不能在一个大的动态范围内放大信号——从微弱的信号到非常强的信号。
 
如今,芬兰阿尔托大学的物理学家Francesco Massel和Mika Sillanpaa与同事发明了一种放大器,能够在一个大的动态范围内处理信号,同时接近量子噪声极限。这种放大器的基本原理在于通过从一个一致性的“脉冲”波中窃取光子来提升微波信号。然而实际上这是非常困难的,因为信号光子的能量或强度随时间而变化,导致脉冲光子无法一直匹配。
 
Massel和同事利用一个巧妙的办法使光子能相匹配。研究人员将信号和脉冲波发射到一个Z字形腔室中,它们在这里来回反弹。紧挨着腔室的是一个轻而薄的机械梁,来自反弹的脉冲波的压力会使其开始共振,并在这种情况下减少脉冲光子的能量。不久,脉冲光子的能量便会下降,直至与信号光子的能量相匹配,而此时脉冲波开始融入信号波,进而放大后者。
 
研究人员在日前的《自然》杂志网络版上报告说,这种装置能够实现25分贝的放大,而噪声为量子极限的20倍。这比大多数传统的微波放大器要好很多,尽管还比不上超导装置的放大效果,后者能够实现仅仅两到三倍的量子噪声极限。但是Massel指出,他和同事仅仅偶然发现了这种放大器的低噪声表现,在进一步研制后,相信它能够达到量子噪声极限。
 
对于法国ESPCI巴黎技术学院的物理学家Nicolas Bergeal来说,这种装置还需要进一步完善,以实现其难以预见的潜在应用。他指出,研究人员完成了“一项非凡的实验”,因为之前没有人尝试着利用机械谐振器接近量子噪声极限。“迄今为止,人们主要聚焦于超导装置,这完全依赖于电气元件。”
 
Massel相信,这种装置能够用来放大量子计算机微弱的输出信号,量子计算机被期待能够通过开发量子力学固有的模糊性,从而比现今所有的机器更快地完成计算。他说:“除了对一台量子极限放大器本身的固有兴趣外,这是它最有可能的利用之处。”(来源:中国科学报 赵路)
 
 
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