在量子熱學(xué)面前，我們?cè)谏钪蟹e累的常識(shí)常常不再適用。好在因?yàn)槠绽士顺?shù)很小，我們平常并不會(huì)被種種奇怪的量子效應(yīng)困惑，不過(guò)這并不意味著量子熱學(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(guò)它們太微弱，很容易就吞沒(méi)在種種噪音之中。今天，兩組科學(xué)家分別在《科學(xué)》上發(fā)文強(qiáng)調(diào)，她們首次直接觀測(cè)到了宏觀物體的量子糾纏，甚至能夠借此“規(guī)避”不確定性原理。
量子熱學(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)于前者而言，這些掌控常常變得不太顯著。在諸多誘因的干擾下，量子效應(yīng)對(duì)精典化學(xué)引起的誤差顯得幾乎不可見(jiàn)。為此，確認(rèn)、測(cè)量宏觀物體的量子效應(yīng)，就成為諸多化學(xué)學(xué)家的目標(biāo)。
就在明天，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”了量子熱學(xué)的基本定理之一——不確定性原理。
其實(shí)，這兒的宏觀僅僅是相對(duì)于分子、原子的宏觀量子通訊的原理，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。并且，讓這樣尺度的“宏觀”物體形成量子效應(yīng)也絕非易事，它們與環(huán)境之間多種多樣的互相作用隨時(shí)就會(huì)破壞脆弱的量子態(tài)。因此，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度都被控制絕對(duì)零度附近。
宏觀量子糾纏
在其中一項(xiàng)研究中量子通訊的原理，法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的什洛米·科特勒（）團(tuán)隊(duì)用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜步入量子糾纏狀態(tài)。每張鋁片膜長(zhǎng)20微米，寬14微米，長(zhǎng)度為100納米。其質(zhì)量為70皮克，相當(dāng)于大概1萬(wàn)億個(gè)原子的質(zhì)量。以量子的標(biāo)準(zhǔn)而言，它們已然達(dá)到了相當(dāng)大的尺度。
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該實(shí)驗(yàn)中使用鋁內(nèi)耳的掃描電鏡相片（偽色圖）圖片來(lái)源：vol.372no.6542622-625
兩張鋁片膜與一個(gè)電路相連，并被放置在高溫腔中。當(dāng)研究人員施加脈沖微波時(shí)，電路會(huì)與鋁片膜互相作用，控制鋁片膜的震動(dòng)模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大概1微秒的量子狀態(tài)。這在量子熱學(xué)的尺度下，早已是相當(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)被訊號(hào)器接收。通過(guò)對(duì)比反射前后的微波性質(zhì)，研究人員可以剖析出鋁片膜的位置和動(dòng)量信息。
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該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖圖片來(lái)源：vol.372no.6542622-625
研究團(tuán)隊(duì)仔細(xì)剖析了反射的微波。在宏觀世界中，反射回去的微波應(yīng)當(dāng)是隨機(jī)的。并且當(dāng)她們將結(jié)果勾畫成圖時(shí)，卻發(fā)覺(jué)微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個(gè)相對(duì)平淡，而另一個(gè)則在輕微地發(fā)抖，表明兩張鋁片膜發(fā)生了量子糾纏。
“單獨(dú)剖析兩張鋁片膜震動(dòng)的位置和動(dòng)量信息，你只能看出它們?cè)谡饎?dòng)而已，”這篇論文的作者之一，NIST的化學(xué)學(xué)家約翰·托伊費(fèi)爾（John）表示，“但是當(dāng)你對(duì)比二者的信息時(shí)，你都會(huì)發(fā)覺(jué)兩張鋁片膜看似無(wú)規(guī)律的震動(dòng)之間，雖然存在著高度的關(guān)聯(lián)性。這一點(diǎn)只有量子糾纏才做得到。”
研究團(tuán)隊(duì)的斯科特·格蘭西（Scott）解釋稱，她們發(fā)覺(jué)兩張鋁片膜的位置和動(dòng)量之間都存在關(guān)聯(lián)，假如這些關(guān)聯(lián)比精典數(shù)學(xué)學(xué)所能形成的關(guān)聯(lián)要強(qiáng)，這么就表明鋁片膜之間肯定存在量子糾纏。
雖然返回的脈沖微波訊號(hào)就能同時(shí)檢測(cè)鋁片膜的位置和動(dòng)量信息，而且不確定性原理表明，其檢測(cè)依然存在一定的偏差。為了盡可能地降低偏差，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了1萬(wàn)次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方式對(duì)鋁片膜的位置等實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性進(jìn)行了估算。最終她們可以確定，這兩個(gè)宏觀物體的振動(dòng)模式被量子糾纏關(guān)聯(lián)了上去。
“規(guī)避”不確定性原理
在同期發(fā)布的另一篇論文中，來(lái)自美國(guó)阿爾托學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在8毫開(kāi)爾文的氣溫下，讓兩個(gè)鋁內(nèi)耳步入長(zhǎng)時(shí)間、相對(duì)穩(wěn)定的糾纏態(tài)。在這些糾纏態(tài)下，研究人員可以對(duì)同一個(gè)糾纏態(tài)進(jìn)行多次檢測(cè)，因而“規(guī)避”量子熱學(xué)中的不確定性原理。
在實(shí)驗(yàn)中，鼻竇震動(dòng)的相位總是相反的。假如對(duì)鼻竇1施加一個(gè)力，則內(nèi)耳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??）表示：“一個(gè)鼻竇對(duì)力的響應(yīng)總是和另一個(gè)鼻竇相反的，有點(diǎn)類似于負(fù)質(zhì)量。”
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該實(shí)驗(yàn)示意圖圖片來(lái)源：vol.372no.6542625-629
“在這些情況下，假若將兩個(gè)鼓視為一個(gè)量子熱學(xué)實(shí)體，這么鼓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性就被清除了。”該研究的主要作者勞雷·梅西爾·德斯特普（LauredeLépinay）解釋說(shuō)。
不確定性原理是20世紀(jì)20年代末由海森堡提出的。按照這個(gè)量子熱學(xué)的基本概念，因?yàn)椴ê瘮?shù)的物理性質(zhì)，我們不可能同時(shí)確切得悉一個(gè)物體的位置和動(dòng)量。
不過(guò)，這并不意味著我們不能確切得悉物體的位置和動(dòng)量，只是在同時(shí)檢測(cè)三者時(shí)，不確定性原理的限制才能出現(xiàn)。而反作用規(guī)避（Back-）就是在不違背不確定性原理的情況下，繞開(kāi)這一限制的一種形式。
在此次的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)就借助了反作用規(guī)避。本質(zhì)上，她們沒(méi)有檢測(cè)每位鼓的位置和動(dòng)量，而是通過(guò)外耳運(yùn)動(dòng)對(duì)電路電流引起的影響，檢測(cè)了鋁內(nèi)耳的動(dòng)量之和。德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦理工大學(xué)研究員楚一文（YiwenChu，譯音，未參與這兩項(xiàng)研究）表示：“實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有任何地方違背了不確定性原理。你只是選擇了一組特定的，不會(huì)被（不確定性原理）嚴(yán)禁的參數(shù)。”
宏偉的新藍(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，物體的行為與精典數(shù)學(xué)的描述存在明顯的區(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。而這些和精典化學(xué)明顯的區(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(méi)有發(fā)覺(jué)任何量子熱學(xué)之外的新理論，”但是要實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的檢測(cè)，依然須要“令人印象深刻的技術(shù)進(jìn)步”。
這些技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的高度糾纏的量子系統(tǒng)，其實(shí)能否在未來(lái)的量子網(wǎng)路中充當(dāng)常年網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)。據(jù)悉，研究中的高效檢測(cè)方式也可能對(duì)量子通訊或則量子網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)間的糾纏交換等應(yīng)用有所幫助，由于這種應(yīng)用都須要對(duì)量子糾纏進(jìn)行檢測(cè)。
而在量子熱學(xué)之外，這些技術(shù)進(jìn)步在須要亞原子精度檢測(cè)時(shí)為科學(xué)家提供了新的選擇。其實(shí)，未來(lái)的暗物質(zhì)和引力波偵測(cè)也將在這些技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)新的飛越。
編譯：王昱、洪藝瑞
審校：吳非
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