令人着迷的量子控制技术探索量子物理学

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。

激光冷却微小的玻璃纳米颗粒（比一粒沙子小几千倍）使其进入量子状态，使研究人员得以探索量子和经典物理学之间的模糊边界。虽然以日常标准来衡量，研究小组能够操控的粒子很小，但它的密度和固体物体差不多，比原子物体大几百万倍，也更复杂。原子物体包括单个原子、离子和分子，传统上用于研究“量子运动”。这个团队由来自维也纳大学和麻省理工学院等机构的物理学家组成，他们的研究成果发表在《科学》杂志上。

这篇论文的作者之一、维也纳大学量子光学教授马库斯·阿斯派尔迈耶解释说：“传统上，我们希望固体具有明确的位置、动量等，但在量子力学中并非如此。”“量子系统的这些不确定性是量子叠加的关键特征之一，它引起了量子力学所特有的奇异现象。”

阿斯派尔迈耶说，在这种叠加状态下，物体可以表现得好像同时处于两种状态。他以薛定谔的猫思维实验为例，在这个实验中，猫同时是活的和死的。“这违背了我们对日常生活的理解，”他补充道。“在一个更相关的例子中，物体可以被放置在多个位置的叠加中，在每个位置与周围的世界同时互动。”

一段时间以来，物理学家们已经意识到，单个原子的量子特性可以被激光操纵。甚至在以前，包含数亿个原子的“云”都证明了这种量子控制水平，影响了它们进入物质的宏观量子状态，例如量子气体和玻色-爱因斯坦凝聚物（一种物质状态），其中独立的原子冷却到接近绝对零表现为单个量子实体。

研究小组将现有研究进一步扩展到密度比气体高数十亿倍的固体中，其中原子被束缚在一起，并在整个物体的质心上一致地移动。

“在我们的例子中，量子基态，所有的热能都被从系统中移除，”阿斯派尔迈耶解释道。“一个经典的物体会完全静止不动，而量子理论预测的能量是有限的——真空能量——永远无法消除，这导致了位置和动量的基本不确定性——基态不确定性。”

研究人员继续解释了该团队的实验和过去进行的量子固体的工作之间的关键区别。之前的实验使用了锚定的机械振荡器，它们的固体不是牢牢地固定在一个环境中，而是悬浮在一个光学阱中。

“原则上，我们可以快速改变光阱，为粒子进入提供一个不断变化的潜在环境，”阿斯派尔迈耶说。“这种灵活性允许强大的非线性特征，而以前使用的钳位振荡器无法产生这种非线性特征。”

这种方法最初是由诺贝尔奖得主阿瑟·阿什金提出的，早在几十年前就已经成为一种完善的工具，用于从环境中分离原子。

人们希望这样的实验能够为大质量的宏观量子态提供可能性。就像玻色-爱因斯坦凝聚的情况一样，这些量子态在量子技术和量子计算机的发展中会变得非常有用。

将来，当我们想要进一步增加物体的质量并研究具有大质量的系统的量子效应时，这将是有趣的，”Aspelmeyer说。“此外，在一个固体中，所有原子都必须一起运动。这意味着固体迫使其所有原子都集中在一个位置。

正如你所想象的那样，实现对如此巨大的宏观粒子的量子控制绝非易事。事实上，这是一个重大挑战。

量子控制可能很酷，但并不容易

他们打算与该小组进行实验的目的是选择一种玻璃纳米粒子，其中含有大约10^8个原子。从一个角度来看，一个沙粒包含大约4.33x10^15个原子！

为了实现对该宏观物体的量子控制，研究团队首先必须将所述物体与任何环境影响隔离，消除其几乎所有热能，从而将其冷却至接近绝对零。在0开尔文或-C的温度下，量子力学的规则成为粒子运动的主要因素。如上所述，该团队通过将粒子光学捕获在真空中紧密聚焦的激光束中来达到此隔离级别，但这仍然给他们带来了将粒子冷却到-C的巨大挑战。

来自维也纳的科学家，卡汉·戴尔(左)和曼努埃尔·雷森鲍尔(右)正在进行一项实验，将悬浮的纳米颗粒冷却到量子基态。“对我们来说，真正的挑战是把粒子冷却到它的量子基态，”这篇论文的第一作者、维也纳大学的乌罗斯·戴利克说。“通过原子跃迁进行激光冷却已经很成熟，并且是原子的自然选择，但不适用于固体。”

为了克服这一缺陷，研究小组已经开发了一种激光冷却方法，被称为“相干散射空腔冷却”通过将越来越多的气体从空腔中抽离，从而创造一个更纯净的真空，并输入更多的光子，该团队已经能够将玻璃纳米颗粒的运动直接冷却到量子状态。这个过程的一个讽刺之处是玻璃珠表面非常热——大约°C——因为激光加热了材料中的电子。但是粒子质心是超冷的，离绝对零度只有0.°C。因此，可以证明热粒子以量子方式运动。

阿斯佩尔迈耶补充说：“在我们的技术工具箱中加入了相干散射的空腔冷却技术，我们看到了快速的进展，但这是在近十年的研究之后才出现的。”“我们随后改进了这一技术的实现，并设法将其冷却到基态。这个系统的一个强大的特点是额外的能力来修改光捕获的潜力，使我们能够以非常通用的方式修改粒子的量子态。

这是一个强大的工具，希望在未来利用它来探索其他量子现象。研究人员对在他们的研究基础上进一步发展的前景感到兴奋。光学悬浮带来了更多的自由：通过改变光阱我们可以用一种全新的方式操纵纳米颗粒的运动。

已经有几个这样的计划被提出，现在可能成为可能。例如，结合新实现的运动基态，作者期望这将为前所未有的传感性能、量子态下热机基本过程的研究以及涉及大质量的量子现象的研究开辟新的机会。

从这项研究中发展出来的研究最终可能会帮助物理学家解决经典、相对论和量子物理学之间的结合所面临的最大障碍：量子引力的问题。