初めて、物理学者のチームが、見るのに十分な大きさのオブジェクトの量子運動を観察および制御する方法を発見しました。
祖父の時計の振り子を考えてみましょう。巻き付くのを忘れた場合、最終的には休息時の振り子が見つかりません。ただし、この単純な観察は、古典物理学のレベルでのみ有効です。これは、人間の規模で比較的大きなオブジェクトの物理学を説明しているように見える法則と原則です。しかし、原子スケールでの物質と光の基本的な行動を支配する根本的な物理的ルールである量子力学は、完全に休むことはできないと述べています。
初めて、Caltechの研究者と協力者のチームは、見るのに十分な大きさのオブジェクトの量子運動を観察し、制御する方法を見つけました。彼らの結果はそうですJournal Scienceの8月27日のオンライン号に掲載。
研究者は長年、古典物理学では、物理的なオブジェクトが実際に動かない可能性があることを知っています。ボールをボウルに落とすと、数回前後に転がります。しかし、最終的には、この動きは他の力（重力や摩擦など）によって克服され、ボールはボウルの底で停止します。
「過去数年で、私のグループと世界中の他のいくつかのグループは、小さなマイクロメートルスケールのオブジェクトの動きを冷却して、この状態、または量子基底状態を生産する方法を学びました」と、研究を主導したApplied PhysicsのCaltech教授であるKeith Schwab氏は述べています。 「しかし、量子基底状態でさえ、温度がゼロで、非常に小さな振幅の変動、またはノイズが責任を負うことを知っています。」
この量子運動、またはノイズは理論的にはすべてのオブジェクトの動きの本質的な部分であるため、シュワブと彼の同僚は、このノイズを観察してから操作できるデバイスを設計しました。
マイクロメータースケールデバイスは、シリコン基板の上にある柔軟なアルミニウムプレートで構成されています。プレートは、プレートが毎秒350万回の速度で振動すると、超伝導電気回路に結合されます。古典力学の法則によると、振動構造は最終的に基底状態に冷却されれば完全に休息するでしょう。
しかし、それはシュワブと彼の同僚が実験で実際に春を基底状態に冷却したときに観察したものではありません。代わりに、残留エネルギー（四肢ノイズ）が慈悲します。
「このエネルギーは、自然の量子記述の一部です。それを取り出すことはできません」とシュワブは言います。 「私たちは皆、Quantum Mechanicsが電子が奇妙に振る舞う理由を正確に説明していることを知っています。ここでは、光学顕微鏡の下で見ることができるデバイスである比較的大きなものに量子物理学を適用しており、1つではなく1兆原子の量子効果が見られます。」
このノイズの多い量子運動は常に存在し、削除できないため、オブジェクトの位置を正確に測定できるかに基本的な制限があります。
しかし、その制限は、シュワブと彼の同僚が発見した、克服できない。研究者と協力者は、固有の量子ノイズを操作する手法を開発し、定期的にそれを減らすことができることを発見しました。マクギル大学の共著者Aashish書記官とMax Planck Institute for the LightのFlorian Marquardtは、量子ノイズを制御するための新しい方法を提案しました。この手法は、CaltechのSchwabの低温研究所にあるMicronスケールの機械装置に実装されました。
「ノイズまたは動きを説明する2つの主要な変数があります」とシュワブは説明します。 「他の変数の量子変動を大きくするための費用で、実際に変数の変動を小さくすることができることを示しました。それは量子絞られた状態と呼ばれるものです。1つの場所で騒音を絞りました。
量子ノイズを制御する能力は、いつか得られた測定値など、非常に敏感な測定の精度を改善するために使用できます。リゴズ重力波、時空の生地の波紋。
「私たちは、これらの方法を使用してパルサーからの重力波を検出することについて多くのことを考えてきました。私たちの太陽の質量が半径10 kmに圧縮され、10〜100秒でスピンしていることはわかりません。 「1970年代、キップ・ソーン（カルテックのリチャード・P・ファインマン理論物理学の教授、名誉教授）などは、これらのパルサーがほぼ完全に完全に周期的である重力波を放出するべきだと言って論文を書いたので、グラムスケールオブジェクトでこれらの技術を使用する方法について一生懸命考えています。言う。
そのためには、現在のデバイスをスケーリングする必要があります。 「私たちの仕事は、より大きくてより大きなスケールで量子力学を検出することを目的としています。ある日、私たちの希望は、これが最終的に重力波と同じくらい大きなものに触れ始めることです」と彼は言います。
これらの結果は、「」というタイトルの記事に掲載されました。機械的共振器での運動の量子絞り。」シュワブ、書記官、およびマーカートに加えて、他の共著者には、元大学院生のエマ・E・ウォルマン（博士号15）;大学院生のチャン・U・レイとアリ・J・ワインスタイン、元ポスト・ドクター・スカラー・ジュンホ・スー; （NSF）、防衛先進研究プロジェクト局、およびゴードンとベティムーア財団からのサポートもあるNSF物理フロンティアセンターである量子情報および物質研究所。
参照：「機械的共振器での運動の量子絞り」EE Wollman、Cu Lei、AJ Weinstein、J。Suh、A。Kronwald、F。Marquardt、AA書記、KC Schwab、2015年8月28日、科学。
doi：10.1126/science.aac5138
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