圖片來源：阿爾托大學(xué)

在量子力學(xué)面前，我們?cè)谏钪蟹e累的常識(shí)往往不再適用。好在由于普朗克常數(shù)很小，我們平時(shí)并不會(huì)被種種奇怪的量子效應(yīng)困擾，不過這并不意味著量子力學(xué)僅能描述微觀層面幾個(gè)原子、分子的行為。宏觀物體的量子效應(yīng)是存在的，只不過它們太微弱，很容易就淹沒在種種噪聲之中。今天，兩組科學(xué)家分別在《科學(xué)》上發(fā)文指出，他們首次直接觀測(cè)到了宏觀物體的量子糾纏，甚至還能以此“規(guī)避”不確定性原理。

編譯｜王昱 洪藝瑞

審校｜吳非

量子力學(xué)掌控著從基本粒子到宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但對(duì)于后者而言，這種掌控往往顯得不太明顯。在眾多因素的干擾下，量子效應(yīng)對(duì)經(jīng)典物理造成的偏差變得幾乎不可見。因此，確認(rèn)、測(cè)量宏觀物體的量子效應(yīng)，就成為眾多物理學(xué)家的目標(biāo)。

就在今天，發(fā)表于最新一期《科學(xué)》雜志的兩項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了突破：其中一項(xiàng)研究找到了宏觀物體量子糾纏的直接證據(jù)，另一項(xiàng)則在一個(gè)類似的系統(tǒng)中“規(guī)避”了量子力學(xué)的基本定律之一——不確定性原理。

當(dāng)然，這里的宏觀僅僅是相對(duì)于分子、原子的宏觀，兩項(xiàng)研究中實(shí)驗(yàn)對(duì)象的大小都在紅細(xì)胞級(jí)別。但是，讓這樣尺度的“宏觀”物體產(chǎn)生量子效應(yīng)也絕非易事，它們與環(huán)境之間多種多樣的相互作用隨時(shí)都會(huì)破壞脆弱的量子態(tài)。為此，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度都被控制絕對(duì)零度附近。

宏觀量子糾纏

在其中一項(xiàng)研究中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的什洛米·科特勒（Shlomi Kotler）團(tuán)隊(duì)用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)。每張鋁片膜長(zhǎng)20微米，寬14微米，厚度為100納米。其質(zhì)量為70皮克，相當(dāng)于大約1萬億個(gè)原子的質(zhì)量。以量子的標(biāo)準(zhǔn)而言，它們已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的尺度。

該實(shí)驗(yàn)中使用鋁鼓膜的掃描電鏡照片（偽色圖） 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

兩張鋁片膜與一個(gè)電路相連，并被放置在低溫腔中。當(dāng)研究人員施加脈沖微波時(shí)，電路會(huì)與鋁片膜相互作用，控制鋁片膜的振動(dòng)模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大約1毫秒的量子狀態(tài)。這在量子力學(xué)的尺度下，已經(jīng)是相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了。微波被處于量子狀態(tài)的鋁片膜反射后，會(huì)被信號(hào)器接收。通過對(duì)比反射前后的微波性質(zhì)，研究人員可以分析出鋁片膜的位置和動(dòng)量信息。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

研究團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析了反射的微波。在宏觀世界中，反射回來的微波應(yīng)該是隨機(jī)的。但是當(dāng)他們將結(jié)果繪制成圖時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個(gè)相對(duì)平靜，而另一個(gè)則在輕微地抖動(dòng)，表明兩張鋁片膜發(fā)生了量子糾纏。

“單獨(dú)分析兩張鋁片膜振動(dòng)的位置和動(dòng)量信息，你只能看出它們?cè)谡駝?dòng)而已，”這篇論文的作者之一，NIST的物理學(xué)家約翰·托伊費(fèi)爾（John Teufel）表示，“但是當(dāng)你對(duì)比兩者的信息時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩張鋁片膜看似無規(guī)律的振動(dòng)之間，其實(shí)存在著高度的關(guān)聯(lián)性。這一點(diǎn)只有量子糾纏才做得到?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)的斯科特·格蘭西（Scott Glancy）解釋稱，他們發(fā)現(xiàn)兩張鋁片膜的位置和動(dòng)量之間都存在關(guān)聯(lián)，如果這種關(guān)聯(lián)比經(jīng)典物理學(xué)所能產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)要強(qiáng)，那么就表明鋁片膜之間肯定存在量子糾纏。

盡管返回的脈沖微波信號(hào)能夠同時(shí)測(cè)量鋁片膜的位置和動(dòng)量信息，但是不確定性原理表明，其測(cè)量仍然存在一定的誤差。為了盡可能地減少誤差，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了1萬次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)鋁片膜的位置等實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性進(jìn)行了計(jì)算。最終他們可以確定，這兩個(gè)宏觀物體的振動(dòng)模式被量子糾纏關(guān)聯(lián)了起來。

“規(guī)避”不確定性原理

在同期發(fā)布的另一篇論文中，來自芬蘭阿爾托大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在8毫開爾文的溫度下，讓兩個(gè)鋁鼓膜進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間、相對(duì)穩(wěn)定的糾纏態(tài)。在這種糾纏態(tài)下，研究人員可以對(duì)同一個(gè)糾纏態(tài)進(jìn)行多次測(cè)量，從而“規(guī)避”量子力學(xué)中的不確定性原理。

在實(shí)驗(yàn)中，鼓膜振動(dòng)的相位總是相反的。如果對(duì)鼓膜1施加一個(gè)力，則鼓膜2的運(yùn)動(dòng)方向一定和力的方向相反。論文作者米卡·西蘭普（Mika Sillanp??）表示：“一個(gè)鼓膜對(duì)力的響應(yīng)總是和另一個(gè)鼓膜相反的，有點(diǎn)類似于負(fù)質(zhì)量?！?/p>

該實(shí)驗(yàn)示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 625-629

“在這種情況下，如果將兩個(gè)鼓視為一個(gè)量子力學(xué)實(shí)體，那么鼓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性就被消除了?！痹撗芯康闹饕髡邉诶住っ肺鳡枴さ滤固仄眨↙aure Mercier de Lépinay）解釋說。

不確定性原理是20世紀(jì)20年代末由海森堡提出的。根據(jù)這個(gè)量子力學(xué)的基本概念，由于波函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)，我們不可能同時(shí)準(zhǔn)確得知一個(gè)物體的位置和動(dòng)量。

不過，這并不意味著我們不能準(zhǔn)確得知物體的位置和動(dòng)量，只是在同時(shí)測(cè)量?jī)烧邥r(shí)，不確定性原理的限制才會(huì)出現(xiàn)。而反作用規(guī)避（Back-action evasion）就是在不違反不確定性原理的情況下，繞過這一限制的一種方式。

在這次的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)就利用了反作用規(guī)避。本質(zhì)上，他們沒有測(cè)量每個(gè)鼓的位置和動(dòng)量，而是通過鼓膜運(yùn)動(dòng)對(duì)電路電壓造成的影響，測(cè)量了鋁鼓膜的動(dòng)量之和。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究員楚一文（Yiwen Chu，音譯，未參與這兩項(xiàng)研究）表示：“實(shí)驗(yàn)中沒有任何地方違反了不確定性原理。你只是選擇了一組特定的，不會(huì)被（不確定性原理）禁止的參數(shù)?！?/p>

宏偉的藍(lán)圖

這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都以確鑿的證據(jù)證明了宏觀物體也可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏。在量子糾纏的狀態(tài)下，物體的行為與經(jīng)典物理的描述存在顯著的區(qū)別。不論糾纏物體之間的空間距離有多遠(yuǎn)，它們也不能被獨(dú)立描述。而這種和經(jīng)典物理顯著的區(qū)別，正是新型量子技術(shù)背后的關(guān)鍵理論支撐之一。

楚一文表示：“我們并沒有發(fā)現(xiàn)任何量子力學(xué)之外的新理論，”但是要實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量，仍然需要“令人印象深刻的技術(shù)進(jìn)步”。

這種技術(shù)進(jìn)步帶來的高度糾纏的量子系統(tǒng)，或許能夠在未來的量子網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)長(zhǎng)期網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。此外，研究中的高效測(cè)量方法也可能對(duì)量子通信或者量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的糾纏交換等應(yīng)用有所幫助，因?yàn)檫@些應(yīng)用都需要對(duì)量子糾纏進(jìn)行測(cè)量。

而在量子力學(xué)之外，這種技術(shù)進(jìn)步在需要亞原子精度測(cè)量時(shí)為科學(xué)家提供了新的選擇?；蛟S，未來的暗物質(zhì)和引力波探測(cè)也將在這種技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)新的飛躍。

參考鏈接：

https://science./content/372/6542/622

https://science./content/372/6542/625

https://www./article/scientists-supersize-quantum-effects-with-entangled-drum-duet1/

https://www./news-events/news/2021/05/nist-team-directs-and-measures-quantum-drum-duet

https://science./content/372/6542/570

來源： 中科院高能所