20 世纪 60 年代，激光的问世开启了科学与应用的新纪元。从超市扫码到近视手术，传统激光操控光子的技术早已融入生活。而近二十年来，科学家成功研发出能操控“声子”（机械振动的量子化能量单元）的新型激光。对声子的精确控制有望为激光技术带来更多可能性，例如利用纠缠态等独特的量子特性。
美国罗切斯特大学与罗切斯特理工学院的研究团队，最新研制出一种双模压缩声子激光，可在纳米尺度对声子实现高精度操控。
研究团队在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上发表了相关论文，详细阐述了如何让纳米尺度的机械振动量子（声子）在保持激光般相干输出的同时，通过双模耦合与非线性冷却实现热噪声压缩，从而显著降低声子激光的波动。
图片来源：罗切斯特大学 / J. Adam Fenster
该论文的通讯作者之一 Nick Vamivakas 教授及其合作者，曾在2019年首次演示了声子激光。他们利用光镊在真空中捕获并悬浮纳米颗粒，通过其机械振荡实现了声子的相干振荡。
然而，要使这项技术能够用于高精度测量，他们必须克服一个关键难题——噪声，即影响信号准确读数的干扰。这一问题在光子和声子激光中均存在。
“激光在肉眼看来是一束稳定的光，但实际上存在大量波动，这些波动会在测量过程中引入噪声。”Nick Vamivakas 解释道，“我们通过对光镊悬浮系统中两个振荡模式施加参数型耦合调制，并结合非线性参数冷却，实现了对声子激光波动的有效抑制。”
该图展示了实验的核心装置与原理。(a) 示意了光镊悬浮系统，以及如何通过调制实现两模式耦合；(b) 解释了不对称势阱的产生及旋转耦合机制；(c) 通过能级图直观呈现了以两频率之和为驱动频率的声子下转换过程，这是实现双模压缩的物理基础。
研究团队的核心突破，是实现了双模热机械压缩：在光镊悬浮二氧化硅纳米颗粒（直径 100 nm）的 x、y 两个正交振动模式上，以两模式频率之和作为驱动频率进行耦合调制，同时结合非线性参数冷却实现系统稳定，直接压缩并降低了声子激光的固有热噪声。Nick Vamivakas 表示，这种噪声抑制能力，让该系统的加速度测量精度超越了传统光子激光与射频波测量技术。
悬浮纳米颗粒中的双模压缩。(a) 定量展示了振幅和与振幅差方差随耦合强度的演化，清晰地呈现出压缩与反压缩行为；(b)-(d) 通过相空间散射图直观展示了从无耦合（圆盘）、阈值附近（最大压缩）到阈值以上（压缩减弱）的演化过程，其中阈值附近压缩比高达15.8，是双模压缩最显著的证据。
实验数据显示，该声子激光在阈值以上可同时实现机械激光激射与双模压缩，输出明亮且经典关联的相干声子束；其振幅差方向噪声被显著压缩，压缩比最高可达15.8±0.8，单模声子数呈现亚热态压缩特性，二阶相干度趋近于 1，具备理想激光的高相干性。
Nick Vamivakas 展望，这类声子激光可用于实现对重力及其他力的高精度测量，在导航等领域具有重要应用前景。科学家们一直设想开发出比GPS更精确、难以被干扰且无需依赖卫星的量子罗盘系统，Vamivakas对此表示浓厚兴趣，并认为该声子激光可能成为通向此类系统的重要一步。
