微鼓的电子显微镜照片扫描  图片来源：美国《科学日报》

在瑞士洛桑联邦理工学院近期的一项实验中，一种微波谐振器与金属微鼓振动发生了耦合作用，通过主动冷却近乎量子力学所允许的最低能量的机械运动，微鼓可以变成一个能够塑造微波状态的量子库。该发现发表在《自然—物理学》杂志上。

纳斯博特·伯尼尔博士和阿列克谢·费奥法诺夫博士在英国剑桥大学理论家安德烈亚斯·努内坎普博士的支持下，主导了EPB的托拜厄斯·基彭贝格光子和量子测量实验室的研究工作。

微波是电磁波，与可见光相似，但频率小于四个数量级。微波是微波炉、蜂窝电话以及卫星通信等几种日常技术的支柱，近来，它在超导电路的量子信息操纵中发挥的作用日益重要，这是实现未来量子计算机最有希望的候选者之一。

瑞士洛桑联邦理工学院微纳米技术中心制造的直径仅为30微米、厚度为100纳米的微鼓构成了超导微波谐振器中电容器的顶板。鼓的位置调制谐振器的谐振频率，与此相对，电容器两端的电压在微鼓上施加力的作用。通过这种双向的相互作用，能量可以在机械振动和超导电路中的微波振荡之间发生交换。

在实验中，微鼓首先通过适当调谐的微波音调被近乎最低能量的量子能级冷却。单位微波光子（光的量子）带走了声子（机械运动的量子）的能量，从而减少了机械能。这一冷却过程增加了耗散，并将微鼓转化为微波谐振器的耗散储存器。

通过调谐空腔与目前是微波环境的冷却微鼓之间的相互作用，空腔可以变成微波放大器。该放大过程最令人感兴趣的地方在于增加的噪声，即放大的信号中增加了多少随机的、冗余的波动？尽管违反直觉，但量子力学指出，这种增加的噪声即使只是在原理上也不能被完全抑制。在瑞士洛桑联邦理工学院实验中实现的放大器非常接近此极限，因此它已经尽可能地处于了“静止”状态。有趣的是，在不同的状态下，微鼓将微波谐振器转变为了激光或微波激光。

“在过去几年里，已经有非常多的研究将重点放在了把机械振荡器引入量子解决方案。”该项目的研究员阿列克谢·费奥法诺夫表示，“然而，我们的实验是最早一批实际展示和控制未来量子技术的实验之一。”

展望未来，这项实验可以像无声微波路由或微波纠缠一样在腔体光机械系统中产生新的现象。一般而言，这就意味着机械振荡器可以成为快速发展的量子科学和工程领域的有用资源。（赵利利编译）