美国造出压缩声子激光器 精准控制声子降低噪声干扰

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现将此新闻消息报道，美国罗切斯特大学以及罗切斯特理工学院的研究团队，在纳米尺度声子操控这一领域，获取到突破性的进展，成功研发出新型的“压缩声子激光器”。这一成果于3月30日在《自然·通讯》杂志上发表，它借助降低声子激光的量子噪声，为未来的高精度引力传感器、不依赖卫星的量子罗盘等具有颠覆性的技术，提供了关键的实验基础，也许会在原理层面，重塑精密测量与导航的现有格局。

从光子到声子 激光技术迎来新分支

自20世纪60年代激光出现以来，这项以光子作为核心的技术已深入融入现代生活，在超市条形码扫描当中能见到它，在眼科矫正手术里面也能见到它。可是，传统激光操控的是光的基本粒子光子，而科学家正在将这一“激光思路”拓展至另一类基本粒子：声子。声子能够理解为材料内部振动的最小能量单位，其相干操控技术在过去二十年渐渐成熟，致使机械振动也能够像光那样被精确调控。

声子激光技术的关键之处在于，把无序模样的机械振动转化为秩序井然的相干振动，这跟光子激光把杂乱无章的光子进行同步输出相类似。这样的一种转换，致使声子有希望在精密测量这个领域发挥关键作用，特别是在传统光子技术受限于特定物理场景的那些领域当中。研究团队表明，假设能够对声子激光的内在噪声实施有效控制，那么从理论上来说，它的测量精度能够超越现有的光子激光系统。

突破噪声屏障 压缩技术成关键

虽声称声子激光于理论层面有着巨大潜力，可在实际运用当中有一个核心阻碍存在，那就是噪声干扰。研究团队早在2019年的时候呢就借助光镊技术在真空环境里成功地捕获并且悬浮了声子，还首次演示了声子激光器的工作机制。然而，常规声子激光内部有大量量子波动存在，这些波动在测量过程里面会转变为噪声，严重地降低了信号稳定性以及测量准确性。

在这次研究里，团队借助先进的光学调控办法，针对声子激光开展精细的“推拉”型操控，达成了对声子状态的“压缩”。所说的压缩，并非单纯压制能量，而是运用量子光学技术重新分配声子的量子噪声，致使某一关键维度的噪声大幅降低。这一过程跟把气球挤压使其变形相类似，虽总体积没有变化，但关键方向的厚度明显缩减，进而有效抑制了热噪声对测量信号的干扰。

实验细节揭示精密操控原理

这项研究是由罗切斯特大学以及罗切斯特理工学院共同完成的，其实验是在那种高度受控的真空环境当中开展的，研究人员借助聚焦激光束所形成的光学陷阱，继而把微小介质粒子稳定悬浮至真空中，能让其与外部的环境近乎完全隔绝开来，在这样的一种状况之下，粒子的机械振动行为能够被精确地观测以及调控，进而成为了研究声子激光的理想平台。

借助引入额外的光学反馈系统，团队得以对粒子的振动状态予以动态调整，他们发觉，在对声子激光施加特定的相位调制之际，原本弥散的量子噪声被压缩到更窄的频谱范围之中，实验数据表明，经压缩处理后的声子激光，其信号稳定性有显著提高，噪声水平相较于传统声子激光降低了数个数量级，这一结果为把声子激光用以高精度测量除去了关键技术障碍。

瞄准量子导航与引力探测

压缩声子激光具备低噪声特性，这一特性让它于加速度测量领域呈现出独特优势。传统光子激光或者射频技术，在面对微弱加速度信号之际，常常会受限于自身噪声基底，从而难以达成更高精度。而声子激光因为直接耦合机械振动，所以对加速度的响应更加敏感。研究团队表明，基于压缩声子激光的加速度计，其灵敏度有希望超越现有的最佳惯性传感器。

这一能力直接朝着两个关键的应用方向而去：高精度引力传感器，以及量子导航系统。引力开展探测之时，需要去测量极为微弱的时空弯曲效应，此举对传感器的那种噪声抑制能力提出了超高的品质要求；至于量子导航技术，特别是被称作“量子罗盘”的那种不依赖卫星的惯性导航系统，它的核心恰恰就是超高精度加速度计以及陀螺仪。要是声子激光技术能够获得工程化应用，往后潜艇、航天器甚至地下隧道里的自主导航，将会具备比起GPS还更不易受到干扰的替代策略。

从实验室到实用仍存工程挑战

即便原理验证已然取得成功，然而压缩声子激光器距离实际应用而言，仍旧需要跨越工程化的鸿沟。当下的实验系统依赖着复杂的光学陷阱以及真空环境，其设备体积颇为庞大，并且运行条件相当苛刻，以至于难以直接集成到便携式设备当中。研究团队直言，把这一技术从实验室平台转化为芯片级、低功耗的传感器，是未来几年需要去攻克的重点方向。

声子激光的长期稳定性有待验证，其环境适应性同样也有待验证。在温度波动的实际工作条件下，压缩噪声的效果能否维持，这直接关系到其最终可用性。在机械振动等实际工作条件下呢，压缩噪声的效果能否维持，这也直接关系到其最终可用性。目前，研究团队正在和工程团队合作，探索基于微纳加工技术的集成化方案。研究团队力求大幅度降低系统复杂度，同时在保持性能的情况下。若能实现小型化突破，这项技术在十年内有望进入高端应用领域。高端应用领域包括航空航天、地质勘探和国防安全等。

跨学科融合推动量子技术落地

声子激光器被压缩而诞生，这属于量子光学、凝聚态物理跟精密测量工程相互交叉融合的典型事例。传统情况下，声子被视作热力学里“无用”的振动能量，然而现在借助量子操控，这些振动能够转变为高价值的信息载体。这样的转变体现了量子技术发展中的一个普遍事态：将以往被认定不可控的微观现象，转化为可进行工程化利用的资源。

放到更宏观的视角去看，声子激光技术趋向成熟，会跟光子激光、原子干涉等技术构成互补，一同搭建下一代量子测量体系。举例来说，于引力波探测、基本物理常数测量以及暗物质搜寻等诸多基础科学前沿领域而言，低噪声的声子传感器或许能给出全新的观测窗口。研究团队在论文里着重表明，此项技术不但作用于工程应用，更有希望为探索引力本质与量子物理边界提供前所未有的实验工具。

当各个国家于量子科技范畴之中的竞争日益激烈之际，声子激光这种具备切实提升测量精准度作用的底层技术，已逐渐成为战略布局的关键要点。在未来的五年时间里，从实验室原型向工程样机的转化速率，会决定这项源自基础物理研究的技术，能不能真正地走出实验室，进而服务于社会。

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