熱是一個既古老又新穎的話題。一百多年以來，從熱力學三定律建立到利用鐳射來降低原子乃至固體溫度，科學家們對熱本質的理解不斷深入。從宇宙學研究到電路系統，熱噪聲是必須要考慮的因素。

通常情況下，熱噪聲並不會對人們日常生活造成任何影響。然而，如果我們想要探測較弱的訊號，比如被認為佔宇宙質量85%的暗物質，熱噪聲就成為必須要考慮的因素。

宏觀上，如果說一個物體冷或熱，則表現為溫度的高或者低。統計熱力學告訴我們物體的宏觀特徵取決於組成系統微觀粒子的性質。在固體中由於週期性結構，原子在其平衡位置振動會在材料中產生格波，人們把格波抽象為一種準粒子——聲子。

而固體就是一種宏觀系統，其內部電子，原子，聲子等行為決定著金屬，半導體材料等凝聚態體系的物理性質。聲子的描述通常可以用簡諧振子來描述，最簡單的簡諧振子如下圖所示。

圖1：簡諧振子

彈簧兩端連線兩個小球，它們分別在平衡位置附近做往復運動。如果我們把它想象在三維空間中，原子方向是可以任意取的，那麼我們就說存在多種聲學模式。同樣在單位週期內，原子往復運動的振幅也可以是任意的。而溫度決定這種振動在單位週期內的振幅大小。因此，我們可以認為單位時間的振幅越大，簡諧振子的溫度越高，我們稱這種由於溫度所導致的振動叫熱振動。

在我們生活的空間傳播著不同波長的電磁波，比如無線電波，紅外線，可見光，紫外線。無線電波的頻率較低（300GHz以下），是我們通訊廣播常用的波段。

用來發射無線電波的天線通常用金屬組成，我們都知道任何物質都是由原子（分子）組成。因此，金屬原子的熱振動會在系統中引入熱噪聲，這些熱噪聲反映了天線的溫度。

我們在收聽電臺廣播中，這種熱噪聲是一直存在的。幸運地是無線電波的能量遠大於熱噪聲的能量，所以我們感受不到它的存在。但如果我們想要探測更低能量的訊號比如兆赫茲頻率的訊號時，能否冷卻天線避免熱噪聲的干擾就成為關鍵問題。

我們很容易想象冷卻原子，似乎很難想象冷卻無線電波。

圖2：將無線電波冷卻到量子基態

最近荷蘭代爾夫特理工大學的研究團隊利用兩個透過光壓相互作用耦合在一起的超導LC 電路實現了熱射頻電路的邊帶冷卻,極大地減少了熱噪聲的影響，將射頻電路冷卻到了量子基態。

該成果以“Cooling photon-pressure circuits into the quantum regime”為題在Science Advances發表。

波的冷卻

一般情況下，如果想降低物體的溫度，只要將其放置在非常冷環境中就可以了，透過熱交換降低物體溫度。比如，近幾年出現了可以在液氮溫區（77 K）工作的高溫超導體，在醫療中使用的核磁共振成像儀中的超導體就需要在液氦溫區（4K）才能工作，如果要實現更低的溫度就要用到稀釋製冷機（其利用He3/He4的相變吸熱），它們可以將溫度降低到mK量級，這也是實驗室中通常能提供的最低的低溫環境。

得益於實驗測試手段及微加工工藝的飛速進步，光學、紅外線和千兆赫頻率望遠鏡已經使用量子技術來冷卻電磁輻射，但這些技術無法處理數百兆赫茲的頻率，恰好是無線電波的頻率。

目前的低溫技術還遠遠不能滿足人們對低溫的極致追求。

上面提到的簡諧振動會在材料中引入振動能級。如果想實現更低的溫度，那麼就要求冷卻振動到量子基態。而光力可以實現機械振子的邊帶冷卻。

名 詞 拓 展光力（Optomechanics）是用鐳射來控制機械振子的運動，而機械振子通常是微米級或奈米級諧振器件。除了探測諧振器件的運動，鐳射還可以從系統中去除能量使諧振器件達到一個振動能量或者一個聲子的量子極限。

邊帶冷卻

圖3左圖所示，是通常情況下的光子壓力耦合系統，左邊是光學微腔，右邊是宏觀機械振子，其中光學微腔和機械振子都存在固有頻率。

當光學微腔腔鏡均勻且損耗較小時，光子會在腔中發生多次反射。腔中光子反射會引起機械振子振動，機械振子的振動反過來也會引起腔體長度發生改變。二者之間存在強耦合和反饋機制，因此透過光子壓力耦合系統可以單獨調諧光學微腔和機械振子。透過合理選擇特定的入射光子頻率，可以使機械振子調到紅失諧和藍失諧狀態，實現機械振子的冷卻和加熱。

圖3：光力系統-光學領域、微波領域

圖3右圖是LC振盪電路的示意圖，LC電路由一個電感（L）和一個電容（C）連在一起的電路。如果我們將圖3左右兩幅圖的系統拉格朗日量寫出，我們會發現兩者描述的物理過程是一致的，因此我們可以將簡諧振子量子化推廣到LC振盪電路中。LC振盪電路由電感和電容組成，兩個平行板組成電容。本質上LC振動電路是光子壓力耦合系統在微波領域的體現。

研究人員透過設計在熱射頻電路和高頻超導量子干涉腔之間建立了光子壓力耦合系統。電路中諧振頻率可以被另一個電路調諧如圖4所示。透過這種光子壓力耦合，熱射頻電路的熱量可以透過高頻電路不斷帶走，他們觀察到雜化簡正模式的剩餘熱漲落並證明了射頻模的基態冷卻(邊帶冷卻)。同時，在實驗中他們提高一個數量級的單光子耦合強度，遠強於目前報道的最好結果。

圖4：可調諧光壓相互作用的兩模式超導LC電路示意圖，電路圖的左邊是射頻電路，右邊是高頻電路部分

圖4中射頻模式電路由大平板電容器CRF和短電感線L₀組成，其中電容的中間絕緣層由非晶矽構成。超導量子干涉器件由兩個收縮性約瑟夫森結組成，它將射頻電路和高頻電路連線起來。電路耦合效果透過共面波導線來讀取訊號。透過將泵浦頻率調諧到高頻模式的紅失諧邊帶實現冷卻。

作者設計的這種光子壓力耦合技術，預計會在檢測超弱磁共振 (MRI) 訊號，以至量子計算和量子感測方面有廣闊的應用前景。在量子感測應用領域，該技術可以幫助尋找暗物質，可以解釋重力和宇宙學中的懸而未決的問題。

論文資訊：

Rodrigues et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabg6653

https://doi.org/10.1126/sciadv.abg6653