Американские ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые продемонстрировали в эксперименте, что движение макроскопического объекта можно «заморозить» до состояния с энергией меньше стандартного квантового предела. Для этого ученые использовали так называемое сжатое состояние света, в котором неопределенность (или «квантовый шум») для фазы электромагнитной волны искусственно «сжимают». Авторы считают, что это изобретение позволит в скором времени охлаждать некоторые объекты до беспрецедентно низких температур, а также может помочь в создании гибридных квантовых компьютеров, состоящих как из «квантовых», так и из механических элементов. Работа опубликована в журнале Nature.

Стандартный квантовый предел – ограничение, накладываемое квантовой механикой на точность измерения некоторых величин. Этот предел тесно связано с соотношением неопределенностей Гейзенберга, которое можно сформулировать примерно следующим образом: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую.

Фундаментальной причиной существования квантового предела, если измеряемой характеристикой является свет, считаются квантовые флуктуации электромагнитного вакуума. Эти флуктуации энергии приводят, в свою очередь, к процессам рождения и исчезновения виртуальных частиц, которые происходят повсеместно и постоянно. Таким образом, вакуум, который принято понимать как абсолютно пустое пространство, таковым с точки зрения квантовой теории не является. Квантовые флуктуации являются причиной как существования квантовых пределов для измерения различных величин, так и служат основой для различных физических явлений.Некоторые из них уже наблюдали экспериментально, например, эффект Казимира, Лэмбовский сдвиг электронных уровней атома, другие же активно обсуждаются в современной науке  - как, например,существование излучения Хокинга от черных дыр.

Электронная микрофотография механического осциллятора – алюминиевой мембраны диаметром чуть больше 10 микрометров. Jeremy B. Clark et al./ Nature, 2017

Одно из доказательств квантовых флуктуаций вакуума: визуализация квантовых флуктуаций (в красном кольце) с помощью спонтанного параметрического рассеяния. Wikimedia Commons

Стандартный квантовый предел накладывает ограничения на минимальные температуры, которые можно достичь с помощью обычных методов лазерного охлаждения. Невозможность одновременного задания точной амплитуды и фазы электромагнитной волне, с помощью которой осуществляется лазерное охлаждение, приводит к неконтролируемому поступлению случайной добавочной энергии к объекту. Таким образом, охладить объект до состояния с минимальной энергией (основного квантового состояния) становится невозможным.

Однако существуют частные случаи, в который стандартный квантовый предел не является фундаментальным ограничением. Одним из способов его обойти является использование для измерений так называемых сжатых состояний света. Именно ими и воспользовались авторы новой работы для охлаждения механического осциллятора – колеблющейся алюминиевой мембраны, которую еще называют оптомеханическим «барабаном».

Сначала ученые охладили алюминиевую пластинку до температуры в 37 милликельвин стандартными лазерными методами. При таких температурах движениям «барабана» можно поставить в соответствие некое колебательное состояние, которое заселено примерно 75 фононами (квазичастицы, кванты колебательного движения). Дальнейшее охлаждение проводили с помощью метода боковой полосы.

Иллюстрация стоксовых (красная линия) и антистоксовых (синия линия) процессов. Wikimedia Commons

Основная идея метода боковой полосы – «заставить» объект переизлучать больше энергии, чем он поглотил от внешнего источника. Такой процесс называется антистоксовым. В противоположность ему существует стоксов сдвиг, который приводит, наоборот к переизлучению объектом меньшей энергии, чем была получена от внешнего источника. Избыточная энергия в стоксовом процессе тратится,например, на образование фононов. В случае же антистоксового процесса, энергия у объекта, наоборот, «забирается», и фононов становится меньше.

Основная проблема реализации метода боковой полосы состоит в том, что антистоксовым процессам всегда сопутствуют стоксовы. Однако это равновесие можно «сдвинуть», если правильно разместить объект в оптическом резонаторе, в котором обычно происходит охлаждение в таком эксперименте. Но даже в этом случае стоксов процессы нельзя ограничить полностью из-за влияния квантовых флуктуаций электромагнитного вакуума.

Сравнение параметров сжатого света (справа) и обычного (слева). Черная пунктирная линия ограничивает область квантовых флуктуаций вакуума. Jeremy B. Clark et al./ Nature, 2017

Авторы новой работы нашли способ, как можно свести вероятность стоксовых процессов практически до нуля, используя так называемые сжатые состояния света. Согласно неопределенности Гейзенберга, одновременно задать,например, точный амплитуду и фазу для света невозможно. Но можно «пожертвовать»одной характеристикой ради другой. То есть сжать неопределенность (или«квантовый шум») по одной из величин, например, фазе, при этом по второй величине шум возрастет. Такой «сжатый свет» позволяет устранить разброс значений энергии, которые имеют поглощаемые объектом фотоны, и, таким образом,работать только в антистоксовом режиме.

Используя такую методику, авторам новой работы удалось «охладить»систему с оптомеханическим «барабаном» вплоть до колебательного состояния, которое заселено около 0.19 фононами (квантовому пределу соответствует состояние около 0.34 фонона). Ученые считают, что их изобретение позволит в скором времени охлаждать некоторые объекты до беспрецедентно низких температур, что позволит изучать многие системы в их основном квантовом состоянии.

Иллюстрация преодоления стандартного квантового предела авторами. Черная пунктирная полоса показывает заселенность колебательных уровней фононами при квантовом пределе. Красные и синие точки показывают экспериментальные заселенности, полученные авторами при использовании сжатого состояния света с неким параметром r. Черные экспериментальные точки – данные авторов при использовании обычного лазерного излучения. Jeremy B. Clark et al./ Nature, 2017

Стандартный квантовый предел в настоящее время является серьезной проблемой для реализации множества физических экспериментов. Так, с необходимостью его «обойти» столкнулись коллаборации LIGO и Virgo, которые недавно смогли впервые зарегистрировать гравитационные волны. Для того чтобы это стало возможным, ученым пришлось увеличивать точность измерения положения зеркал, которые использовались при детектировании. Эта точность ограничивалось стандартным квантовым пределом. Ученые смогли ее преодолеть, используя сжатые состояния света, как и авторы данной работы.

Автор: Екатерина Митрофанова