机器之心报告

编辑：蛋酱，杜伟

最新一期Nature封面文章，结合显微镜和控制工程技术，来自大学维也纳等机构的量子级研究人员已经实现了对直径小于200纳米、10亿个原子的热玻璃球的控制，并实现了接近海森堡极限的无限精度。

通过测量和反馈精确控制物理系统动力学的能力是现代工程技术的支柱。目前，对应用量子技术日益增长的需求需要对单个量子系统进行这种级别的控制。因此，以最佳方式实现这一目标存在许多挑战，这依赖于量子约束测量和定制的状态估计和反馈算法。到目前为止，研究人员已经成功地实施了包括光学和原子系统在内的实验。

此外，我们从日常生活中学到的东西与微小的量子物体之间存在巨大差异，量子现象通常非常脆弱。为了研究这些现象，研究人员通常只使用少量在尽可能低的温度下与周围环境隔离的粒子。

在最新一期的 Nature 封面文章中，来自维也纳大学、维尔纳技术大学、斯图加特大学和奥地利科学院的研究人员展示了对光捕获量子轨迹的实时优化控制纳米粒子。他们将接近海森堡极限的共焦位置传感与通过卡尔曼滤波的最佳状态估计相结合，以实时跟踪样本在相空间中的运动。位置不确定性是零点波动的 1.3。次。最优反馈可以将量子谐振子的量子占有率稳定在0.56±0.02量子，从而实现从室温到量子基态的冷却。

具体来说，研究人员现在能够以前所未有的精度测量由 10 亿个原子组成的热玻璃球（直径小于 200 纳米），并在量子水平上对其进行控制。在实验中，热玻璃球的运动被故意放慢，直到它显示出尽可能低的能量基态。测量方法几乎达到了海森堡测不准原理设定的极限，即比这更高的精度在物理学上是不允许的。研究人员通过将控制工程中的特殊方法应用于量子系统来实现这一目标。

论文链接：src="Elmeyer Group 的 Lorenzo Magrini。

就这项研究的意义而言，研究人员使用量子卡尔曼滤波器作为实现机械运动的量子控制的方法，可以对各个尺度的传感产生潜在的影响。此外，当结合悬浮技术时接下来，这项研究为在线性和非线性系统中全面控制固体宏观量子物体的波包动力学铺平了道路。

这一成功证明了量子物理学和控制工程的这种新结合研究人员希望继续朝着这个方向努力，利用控制工程的专业知识，实现对量子实验更好、更精准的控制。从量子传感器到量子信息领域的技术，未来的应用会有很多可能性。

< p>技术解读

实现实时最优量子控制一般面临双重挑战：第一，测量过程必然受到量子限制，这意味着测量的不准确和反应是不可避免的，使海森堡不确定关系饱和；其次，量子滤波必须实时实现，并连接到反馈架构，使所需的量子状态稳定。

对于机械设备，这些要求迄今为止仅在单个独立实现中实验。在低温环境下，微机械谐振器被证明能够实现基态反馈冷却和离线量子滤波。在热驱动的机理中，卡尔曼滤波可用于经典的克级反射镜反馈、微机械运动的离线状态估计，以及纳米机械系统的实时状态估计和反馈。在反应主导机制中，反馈用于冷却接近量子基态的机械运动（具有悬浮的纳米束和悬浮的纳米粒子）。

研究人员在一个实验中结合了所有相关元素，尤其是室温下接近海森堡极限的测量灵敏度的最优状态估计（室温下机械运动的实时最优量子控制约为300K）和量子轨迹的最优控制。因此，它们可以将悬浮纳米粒子的无条件量子态的位置不确定性稳定在基态膨胀的 1.3 倍。这与悬浮纳米粒子的基于腔体的冷却方案形成对比。也实现了基态冷却，但不需要量子限制的读出灵敏度。相比之下，本研究中的实时优化控制避免了腔稳定的开销，并且可以通过将频率直接包含在状态空间模型相关（有色）环境噪声中来容忍频率。

图 1：实验装置。

< p>如图 1a 所示，研究使用光镊（数值孔径(NA) = 0.95，λ_0 = 1,064 nm，功率 ≈300 mW，线性极化）以在超高真空二氧化硅纳米球中捕获 71.5 nm（质量 ≈2.8 × 10^-18 kg）的半径。

大多数捕获的粒子都带有多余的电荷，因此它们可以通过外部电场施加校准的力。在这里，研究人员通过向接地镊子物镜前面的电极施加电压来控制 z 运动。粒子的位置在散射镊子的光学相位中编码，通过零差检测收集和测量。他们注意到散射光中包含的位置信息并不是均匀分布的。对于 z 方向，几乎所有信息都由反向散射光子携带。在这里，收集到的光被单模光纤空间过滤。这种单模光纤将杂散光的产生抑制了近 10^3 倍。最大化散射偶极子和光纤空间模式之间的重叠 (η_m = 0.71)。这种测量接近量子极限。