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机械放大器首次接近量子噪声极限 |
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有望用于量子计算机研制 |
基于Z字形腔室（左）和机械梁（右）的一种新放大器能够产生接近于量子噪声极限的噪声。图片来源：M. A. Sillanp
对于许多现代技术而言，在放大电信号的同时将噪声最小化是至关重要的。如今，科学家研制出了一种装置，能够在放大微波的同时实现量子力学所允许的最小噪声。这种装置能够被用来处理量子计算机的敏感输出，后者被期待在未来几年中胜过传统计算机。
噪声是电信号中始终存在的。有些噪声的出现仅仅是因为原子具有热量——它们会拥挤在一起、彼此发生碰撞。然而即便在没有热量时——当温度被降低至接近绝对零度——噪声依然存在。这是缘于量子力学的一条基本原理，即空间中总是充满了波动的能量，或者说量子悸动。
将噪声降至这一量子极限已经超过了大多数电子放大器的范畴。一些配备了超导体的特殊装置能够做得很好，因为前者能够将其与环境隔离。但是此类装置也有另外的缺陷，特别是不能在一个大的动态范围内放大信号——从微弱的信号到非常强的信号。
如今，芬兰阿尔托大学的物理学家Francesco Massel和Mika Sillanpaa与同事发明了一种放大器，能够在一个大的动态范围内处理信号，同时接近量子噪声极限。这种放大器的基本原理在于通过从一个一致性的“脉冲”波中窃取光子来提升微波信号。然而实际上这是非常困难的，因为信号光子的能量或强度随时间而变化，导致脉冲光子无法一直匹配。
Massel和同事利用一个巧妙的办法使光子能相匹配。研究人员将信号和脉冲波发射到一个Z字形腔室中，它们在这里来回反弹。紧挨着腔室的是一个轻而薄的机械梁，来自反弹的脉冲波的压力会使其开始共振，并在这种情况下减少脉冲光子的能量。不久，脉冲光子的能量便会下降，直至与信号光子的能量相匹配，而此时脉冲波开始融入信号波，进而放大后者。
研究人员在日前的《自然》杂志网络版上报告说，这种装置能够实现25分贝的放大，而噪声为量子极限的20倍。这比大多数传统的微波放大器要好很多，尽管还比不上超导装置的放大效果，后者能够实现仅仅两到三倍的量子噪声极限。但是Massel指出，他和同事仅仅偶然发现了这种放大器的低噪声表现，在进一步研制后，相信它能够达到量子噪声极限。
对于法国ESPCI巴黎技术学院的物理学家Nicolas Bergeal来说，这种装置还需要进一步完善，以实现其难以预见的潜在应用。他指出，研究人员完成了“一项非凡的实验”，因为之前没有人尝试着利用机械谐振器接近量子噪声极限。“迄今为止，人们主要聚焦于超导装置，这完全依赖于电气元件。”
Massel相信，这种装置能够用来放大量子计算机微弱的输出信号，量子计算机被期待能够通过开发量子力学固有的模糊性，从而比现今所有的机器更快地完成计算。他说：“除了对一台量子极限放大器本身的固有兴趣外，这是它最有可能的利用之处。”（来源：中国科学报 赵路）
