PRL：量子体系中的声子激光器

光子盒研究院

在量子体系中运行的振动能激光器而不是光激光器，可以让研究人员了解量子力学中自旋、振动和耗散之间的相互作用。

研究人员用一叠金电极图案的薄芯片来捕获成为声子激光的离子对；离子位于中央槽内电极电场产生的势阱中。

两个离子在势阱中，离子像联摆一样摆动。

声子激光器用物质的振动激发（声子）取代了标准激光器中使用的光激发（光子）。现在，研究人员已经“诱骗（coax）”两个离子形成了一个声子激光器，其中包含的声子少于 10 个，使其稳固地处于量子状态——而以前的声子激光器至少有 10,000 个声子。研究人员计划利用这种量子声子激光器来研究耗散在量子系统行为中的作用。

耗散（Dissipation）——以热量形式渗入或渗出系统的能量，在物理学中通常被视为一种“麻烦”。例如，当它以空气阻力的形式出现时，就会降低汽车或飞机的燃油效率。但量子系统也会出现耗散，而且其在量子领域的影响尚未被完全理解。

苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的Jonathan Home和他的同事们希望研究两种不同的耗散源如何相互作用，从而影响量子系统的行为。Home说：“激光是我们能想到的最简单的量子系统，它允许进行这样的实验。”

研究小组重点研究了激光器内部的放大作用。在传统激光器中，这种放大作用发生在固态或气态介质中，介质获得能量后会转化为大量光子。在所谓的“激光阶段”，这些光子的振荡是同步或相干的：这是激光的一个标志性特征。根据适用于量子系统的更宽泛的定义，这种从经典源到相干光子的能量转换被视为一种耗散。因此，激光器有两个相互竞争的耗散通道：一个是能量泵入的过程，另一个是光子漏出的过程。当放大的能量足以克服泄漏时，系统就会发光、光子数量不断增加，直到达到一个高点。

Home和他的团队利用两个电离原子（一个是钙原子，一个是铍原子）的共同振动运动来制造声子激光器：原子可以在电场陷阱中摆动，就像两个前后摆动的耦合钟摆。研究人员采用标准技术，用激光增加或减少双离子系统的振荡幅度，这在量子术语中意味着增加或减少声子。其中一对光束被调谐为向铍离子添加声子，而另一对光束则被调谐为通过钙离子带走声子。

这两对激光器使 Home 和他的同事们能够独立控制每个耗散通道。他们通过监测原子对激光照射的荧光反应来确定声子的数量和特性。随着研究小组改变两个耗散通道的相对强度，系统经历了从声子泄漏阶段到激光阶段的转变；在激光阶段，声子的数量不会减少。在这一阶段，研究小组能够看到声子的相干状态，有助于证明他们创造了真正的声子激光器。

研究结果首次对量子声子激光器的预测进行了实验验证。

研究人员表示，他们展示的工具将有助于他们探索更奇特的耗散系统。例如，Home计划设计一种类似的系统，产生一种所谓的挤压激光量子态：这种量子态可能对传感或量子计算有用。

Diego Porras

西班牙国家研究委员会的理论量子物理学家

这项实验“非常奇妙”，它代表了首个具有两个耗散通道的量子系统的案例，在这个案例中，如此高的控制能力得到了展示。

Tracy Northup

奥地利因斯布鲁克大学的实验量子物理学家

虽然声子激光器似乎是一个非常特殊的系统，但了解离子、离子运动和耗散之间的相互作用可广泛适用于许多量子系统。

我希望这项工作能提醒人们，离子是很酷的，不仅可以用来建造量子计算机，还可以用来进行这种非常、非常漂亮的控制，以了解有趣的底层物理。

参考链接：

[1]https://physics.aps.org/articles/v16/130

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.043605

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