什么是聲子激光器？如何用兩個(gè)離子來制造一個(gè)聲子激光器？

今天我想和你們分享一篇非常有趣的論文，它的題目是《量子區(qū)域的聲子激光器》。這篇論文是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)家合作完成的，它展示了如何用兩個(gè)離子來制造一個(gè)聲子激光器，而且這個(gè)聲子激光器的平均聲子數(shù)少于10，這意味著它處于量子區(qū)域，也就是說它受到量子力學(xué)的顯著影響。你可能會(huì)問，什么是聲子激光器？它和普通的光激光器有什么區(qū)別？讓我來給你解釋一下。

我們都知道，光是由一種叫做光子的粒子組成的，而光子是電磁場的量子化單位。當(dāng)我們用一個(gè)特定的頻率來激發(fā)一個(gè)原子或分子時(shí)，它就會(huì)發(fā)射出一個(gè)相同頻率的光子，這就是受激輻射。如果我們把很多這樣的原子或分子放在一個(gè)共振腔里，讓它們之間相互作用，就可以形成一個(gè)穩(wěn)定的光場，這就是光激光器。

那么，聲子呢？聲子是物質(zhì)中振動(dòng)模式的量子化單位，也就是說，它們是物質(zhì)中原子或分子運(yùn)動(dòng)的最小單位。當(dāng)我們用一個(gè)特定的頻率來激發(fā)一個(gè)原子或分子時(shí)，它就會(huì)發(fā)射出一個(gè)相同頻率的聲子，這就是受激散射。如果我們把很多這樣的原子或分子放在一個(gè)共振腔里，讓它們之間相互作用，就可以形成一個(gè)穩(wěn)定的聲場，這就是聲子激光器。

你可能已經(jīng)注意到了，聲子激光器和光激光器有很多相似之處，但也有一些重要的區(qū)別。首先，聲子激光器涉及到物質(zhì)中原子或分子的運(yùn)動(dòng)，而不是電磁場。這意味著聲子激光器更容易受到環(huán)境的干擾和損耗，因此需要更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)和更高效的冷卻。其次，聲子激光器發(fā)射出來的不是可見光或其他形式的電磁波，而是機(jī)械波或者說聲波。這意味著聲子激光器可以用來探測和操作物質(zhì)中微觀和納觀的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，比如量子比特、納米機(jī)器人、生物分子等等。

那么，為什么要制造一個(gè)處于量子區(qū)域的聲子激光器呢？這有什么好處呢？其實(shí)，在量子區(qū)域，聲場會(huì)表現(xiàn)出一些非常奇妙和有趣的現(xiàn)象，比如超導(dǎo)、超流、量子糾纏、量子隱形等等。如果我們能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)量子區(qū)域的聲子激光器，就可以用它來研究這些現(xiàn)象，并且利用它們來實(shí)現(xiàn)一些新穎和有用的功能和應(yīng)用。

那么，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子區(qū)域的聲子激光器呢？這可不是一件容易的事情，要做到這一點(diǎn)，我們需要滿足兩個(gè)條件：一是要讓聲子的數(shù)量非常少，以至于量子效應(yīng)可以占據(jù)主導(dǎo)地位；二是要讓聲子的壽命非常長，以至于它們不會(huì)被環(huán)境所破壞。這兩個(gè)條件看起來很矛盾，因?yàn)槁曌拥臄?shù)量越少，它們就越容易被環(huán)境所影響；而聲子的壽命越長，它們就越難以被激發(fā)和控制。

這篇論文的作者采用了一個(gè)非常巧妙和創(chuàng)新的方法來解決這個(gè)問題。他們使用了兩個(gè)不同種類的離子，分別是鈣離子和鈹離子，把它們放在一個(gè)保羅陷阱里，讓它們共享一個(gè)振動(dòng)模式。然后，他們用兩個(gè)不同的激光束來分別對(duì)鈣離子和鈹離子進(jìn)行激發(fā)和冷卻。具體來說，他們用一個(gè)紅色的激光束來對(duì)鈣離子進(jìn)行紅色邊帶驅(qū)動(dòng)，并且用一個(gè)工程化的衰變過程來對(duì)鈣離子進(jìn)行冷卻；同時(shí)，他們用一個(gè)藍(lán)色的激光束來對(duì)鈹離子進(jìn)行藍(lán)色邊帶驅(qū)動(dòng)，并且用一個(gè)工程化的衰變過程來對(duì)鈹離子進(jìn)行加熱。通過這樣做，他們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有兩個(gè)競爭性的耗散通道的系統(tǒng)，其中一個(gè)通道起到了聲子激光器的作用，而另一個(gè)通道起到了聲子吸收器的作用。

通過調(diào)節(jié)激光束的強(qiáng)度和頻率，他們可以控制系統(tǒng)處于不同的相態(tài)，包括熱平衡態(tài)、加熱態(tài)、冷卻態(tài)和激光態(tài)。在激光態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的聲場，其平均聲子數(shù)少于10，并且具有很高的相干性。他們還可以用另一個(gè)共振的驅(qū)動(dòng)來鎖定聲場的相位，并且用一種特殊的測量方法來重構(gòu)聲場的量子態(tài)。通過這樣做，他們可以觀察到聲場在耗散下的相擴(kuò)散現(xiàn)象，并且驗(yàn)證了系統(tǒng)處于量子區(qū)域。

這篇論文是關(guān)于聲子激光器方面的一項(xiàng)重要突破，它為實(shí)現(xiàn)和利用量子區(qū)域的聲場提供了一種可行和有效的方法。它也為探索聲場和自旋之間以及聲場和光場之間的量子耦合和量子信息處理提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。





審核編輯：劉清