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激光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，熱噪聲并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信號，比如被認為占宇宙質量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征取決于組成系統微觀粒子的性質。在固體中由于周期性結構，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，的簡諧振子如下圖所示。

圖1：簡諧振子

彈簧兩端連接兩個小球，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，那么我們就說存在多種聲學模式。同樣在單位周期內，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周期內的振幅大小。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，我們稱這種由于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），是我們通信廣播常用的波段。

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于熱噪聲的能量，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信號比如兆赫茲頻率的信號時，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通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。

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，通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制冷機（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的低溫環境。

得益于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，那么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）是用激光來控制機械振子的運動，而機械振子通常是微米級或納米級諧振器件。

除了探測諧振器件的運動，激光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，因此通過光子壓力耦合系統可以單獨調諧光學微腔和機械振子。通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振蕩電路的示意圖，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振蕩電路中。LC振蕩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。

研究人員通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。通過這種光子壓力耦合，熱射頻電路的熱量可以通過高頻電路不斷帶走，他們觀察到雜化簡正模式的剩余熱漲落并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，遠強于目前報道的結果。

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L?組成，其中電容的中間絕緣層由非晶硅構成。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接起來。電路耦合效果通過共面波導線來讀取信號。通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) 信號，以至量子計算和量子傳感方面有廣闊的應用前景。在量子傳感應用領域，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。