加州理工學(xué)院連同維也納大學(xué)組成的研究團隊，利用激光將納米機械共振器冷卻至基態(tài)，即能量最低狀態(tài)。這為研發(fā)高度敏感的探測器以及進行業(yè)界長期夢想的量子實驗鋪平了道路。相關(guān)研究報告發(fā)表在6日出版的《自然》雜志上。

雖然研究小組并非首個將納米機械物體冷卻至量子基態(tài)的團隊，但此項研究卻是首次成功嘗試利用可見光，將由數(shù)十億原子組成的固態(tài)納米機械系統(tǒng)冷卻至基態(tài)，使其遵從量子力學(xué)法則。過去，科學(xué)家只能通過囚禁單個原子或離子實現(xiàn)這一點。

主要研究人員、加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系教授奧斯卡·佩恩特表示，他們制成了納米規(guī)格的機械硅橫梁，令精心挑選頻率的激光能夠進入這一系統(tǒng)，并通過反射，帶走熱能，達到冷卻系統(tǒng)的效果。

此前達到基態(tài)的傳統(tǒng)冷卻方法雖然存在，但卻花費高昂，甚至在某些情況下是不可能實現(xiàn)的；而如何測量寒冷的機械系統(tǒng)也是一大難題。對此，研究團隊利用了不同的冷卻策略，他們借助光子場從系統(tǒng)向外釋放光子，解決了上述難題。

研究人員在機械橫梁上的精確位置鉆上了多個小孔，當激光投射在橫梁上，這些小孔就像鏡子一般，將光囚禁在洞內(nèi)，使其與橫梁的機械振動產(chǎn)生強烈的互動。由于光的頻率的轉(zhuǎn)變與機械物體的熱運動直接相關(guān)，當光最終從小洞內(nèi)逃離時，也會隨之帶走橫梁的振動和溫度，因此，研究人員創(chuàng)造出一個光學(xué)機械傳感器，可以將機械系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)化為光子。

更重要的是，這種光不像微波或電子，其能在千米長的距離內(nèi)傳輸并且不衰減，這使光學(xué)機械傳感器能夠連接不同的量子系統(tǒng)，比如將微波系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，起到機械導(dǎo)管的作用。

為達到量子基態(tài)，即機械振動處于絕對極小值，研究團隊將橫梁冷卻至零下273.15攝氏度，這是因為橫梁的設(shè)計振動頻率為千兆赫（相當于每秒十億圈），在這個范圍內(nèi)，大量聲子將在室溫下出現(xiàn)。聲子是振動的最基本單位，系統(tǒng)內(nèi)所有的聲子都將在達到基態(tài)時消失。

當納米機械系統(tǒng)降至量子基態(tài)時，其能幫助探測出極小的力或質(zhì)量，而這通常會被感應(yīng)器的熱振動所掩蓋。佩恩特表示，他們所做的實驗是為開展真正有趣的量子機械試驗提供了一個出發(fā)點，例如科學(xué)家想要展示能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加的機械系統(tǒng)，這種奇怪的量子態(tài)在物理系統(tǒng)內(nèi)能夠一次存在于多個位置，但他們首先需要一個處于量子基態(tài)的系統(tǒng)來開始上述實驗。

理想上，為了簡化機械系統(tǒng)的設(shè)計，科學(xué)家未來將嘗試在室溫下進行相關(guān)量子實驗。利用激光冷卻技術(shù)，佩恩特等人可在僅低于室溫10倍的環(huán)境下進行試驗，而通常情況下，這需要在低于室溫1萬倍的情況下才能實現(xiàn)。