我院量子信息与量子光学创新团队，继今年初在超冷原子领域取得新进展并在Nature Communications刊发相关研究论文后，近日又在量子光力学研究方面取得重要突破。该团队青年教师董莹博士与合作者一起，提出了一种巧妙的方法，可以将一宏观尺度机械振子的任意频率振动模冷却至其量子基态。这种处于量子基态的宏观机械系统，无论在探寻量子物理-经典物理边界的基础理论问题方面，还是在量子信息处理、超精密测量等实际应用问题方面，甚至再到引力波探测等一系列非常广泛的物理研究领域中，都具有十分重要的意义。相关工作的研究论文已于近日发表在物理学顶级期刊Physical Review Letters（DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.223602）上。我校为该文第一完成单位和通讯作者单位。文章链接如下：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.223602

  文章审稿人对这一工作给予了高度评价——The idea is very interesting and highly relevant for future optomechanical experiments which push in the direction of multi-mode (photon and/or phonon) setups. In such setups the additional mechanical modes usually differ in frequency and when it comes to cooling, the well established sideband cooling method comes to its limits. Furthermore, the idea of having a "polariton fluid" as a refrigerant is very appealing. The paper presents a significant broadening of the applicability of the technique in a transparent way. It should generate significant discussion within the community.

  在该方案中，腔光模与机械振子某一确定频率的声模相干（光力）耦合，形成正则模式，也称为极化子(Polariton)。通过调整泵浦光与腔模的失谐率，极化子的性质可以在（类）声子和（类）光子之间切换。为了冷却振子的（除上述与光腔耦合的振动模以外的）任意频率的声子模，可先将极化子制备在声子态，而后对振子整体外加驱动，若驱动频率刚好近似等于两个声子模的频率差，则类声极化子与欲冷却的声子模式将通过参量过程发生相互作用，热量从高温的声子模流向低温的类声极化子。然后再将极化子绝热调整至类光模式，由于光场的热库近似真空，等效温度近乎绝对零度，故而类光极化子将会向热库释放热量。待极化子与零温光子热库平衡后，再将其调回类声子态，如此往复循环，即可将目标声子模式冷却至基态。此过程原理与人们日常生活中使用的冰箱的制冷原理非常相似，而极化子就相当于制冷器中的冷媒。与目前普遍采用的边带冷却技术相比，“量子冰箱”有一个显著的优点，就是可以冷却机械振子的任意频率的声子而无需改变整个装置的物理结构。另外，这一装置使得同时冷却多个声子模式至基态成为可能，这为未来多模量子声子学的研究铺平了道路。

  这一工作得到了国家自然科学基金和杭州市创新团队计划的支持。