无线电波能冷却到量子基态？

诸平

Credit: Delft University of Technology

据荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）2021年10月15日提供的消息，冷却会使无线电波到其量子基态（Cooling radio waves to their quantum ground state）。

代尔夫特理工大学的研究人员发现了一种将无线电波冷却到量子基态的新方法。为了做到这一点，他们使用了一种模拟激光冷却技术的电路，这种技术经常被用于冷却原子样品。该设备使用了一种最近开发的技术，研究人员称之为光子压力耦合（photon pressure coupling），这种技术预计将用于探测超弱磁共振(MRI)信号或量子传感应用，有助于寻找暗物质。相关研究结果于2021年10月15日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Ines Corveira Rodrigues , Daniel Bothner, Gary Alexander Steele. Cooling photon-pressure circuits into the quantum regime. Science Advances, 15 Oct 2021, Vol 7, Issue 42. DOI: 10.1126/sciadv.abg6653. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg6653.(sciadv.abg6653.pdf)

无线电波在日常生活中我们经常遇到,比如我们在汽车里收听节目或观看从我们家里房间的婴儿监视器发送给我们的视频信号等，都是目前普遍流行的热点: 它们包含的噪声来自于发射它们的物体中的原子的随机运动，甚至来自于你用来收听它们的天线。这就是为什么当你把车里的收音机调到没有电台的频率时，你会听到静电声的原因之一。

冷却无线电波（Cooling waves）

降低噪声的一种方法是冷却无线电波，例如将接收它们的天线冷却到接近绝对零度的温度。天线中的原子将不再像以前那样剧烈地摆动，噪声也将降低。这实际上是在超导量子计算机中完成的，它被冷却到10 mK，以防止这些抖动的原子（jiggling atoms）在它们工作的GHz信号中产生噪声。

代尔夫特理工大学的研究人员伊内丝·罗德里格斯（Ines Rodrigues）说：“然而，一些应用，如核磁共振（NMR）、暗物质探测（dark matter detection）或射电天文学（radio astronomy），对兆赫频率（MHz frequencies）的超弱信号感兴趣。”对于这些信号，冷却到10 mK是不够的。即使在这种极低的温度下，设备或天线中原子的随机运动也足以给无线电波信号增加噪声。为了去除残留的噪音，有必要进一步降低无线电波的温度。但如何如何才能实现呢？

耦合光子（Coupling photons）

在这项工作中，代尔夫特理工大学的研究人员发现了一种抵消原子振动噪音的新方法。研究人员使用类似于冷却原子云的激光冷却技术的电路，将设备中的无线电波信号一直冷却到量子基态。代尔夫特理工大学的这项研究小组的负责人、也是上述论文的通讯作者加里·亚历山大·斯蒂尔(Gary Alexander Steele)说：“电路中遗留下来的主要噪声只是由于量子涨落，这种噪声来自量子力学预测的奇怪量子跃进（strange quantum jumps）。加里·亚历山大·斯蒂尔小组专门研究利用超导量子电路（superconducting quantum circuits）的量子传感。

该装置使用了一种最近发展起来的技术，作者称之为光子压力耦合（photon pressure coupling）。该方法在检测超弱磁共振(MRI)信号方面具有广阔的应用前景;它可以用于许多量子信息（quantum information）处理应用，涉及快速发展的量子计算领域。此外，它还可以用于所谓的量子传感应用（quantum sensing applications），并可以帮助寻找暗物质，暗物质是一种尚未被发现的奇怪粒子，可以解释引力和宇宙学中的未决问题。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文(sciadv.abg6653.pdf)或者相关报道。