什么是聲子激光器？如何用兩個(gè)離子來(lái)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(guó)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(lái)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(shuō)它受到量子力學(xué)的顯著影響。你可能會(huì)問(wèn)，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(lái)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(chǎng)的量子化單位。當(dāng)我們用一個(gè)特定的頻率來(lái)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(chǎng)，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(shuō)，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(lái)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(chǎng)，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(chǎng)。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(lái)的不是可見(jiàn)光或其他形式的電磁波，而是機(jī)械波或者說(shuō)聲波。這意味著聲子激光器可以用來(lái)探測(cè)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(chǎng)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(lái)研究這些現(xiàn)象，并且利用它們來(lái)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(zhǎng)，以至于它們不會(huì)被環(huán)境所破壞。這兩個(gè)條件看起來(lái)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(zhǎng)，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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(lái)分別對(duì)鈣離子和鈹離子進(jìn)行激發(fā)和冷卻。具體來(lái)說(shuō)，他們用一個(gè)紅色的激光束來(lái)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(guò)程來(lái)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(lái)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(guò)程來(lái)對(duì)鈹離子進(jìn)行加熱。通過(guò)這樣做，他們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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(chǎng)，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(lái)鎖定聲場(chǎng)的相位，并且用一種特殊的測(cè)量方法來(lái)重構(gòu)聲場(chǎng)的量子態(tài)。通過(guò)這樣做，他們可以觀察到聲場(chǎng)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(chǎng)提供了一種可行和有效的方法。它也為探索聲場(chǎng)和自旋之間以及聲場(chǎng)和光場(chǎng)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