在量子熱學面前，我們在生活中積累的常識常常不再適用。好在因為普朗克常數很小，我們平常并不會被種種奇怪的量子效應困惑，不過這并不意味著量子熱學僅能描述微觀層面幾個原子、分子的行為。宏觀物體的量子效應是存在的，只不過它們太微弱，很容易就吞沒在種種噪音之中。今天，兩組科學家分別在《科學》上發文強調，她們首次直接觀測到了宏觀物體的量子糾纏，甚至能夠借此“規避”不確定性原理。
量子熱學掌控著從基本粒子到宏觀物體的運動規律，但對于前者而言，這些掌控常常變得不太顯著。在諸多誘因的干擾下，量子效應對精典化學引起的誤差顯得幾乎不可見。為此，確認、測量宏觀物體的量子效應，就成為諸多化學學家的目標。
就在明天，發表于最新一期《科學》雜志的兩項研究實現了突破：其中一項研究找到了宏觀物體量子糾纏的直接證據，另一項則在一個類似的系統中“規避”了量子熱學的基本定理之一——不確定性原理。
其實，這兒的宏觀僅僅是相對于分子、原子的宏觀量子通訊的原理，兩項研究中實驗對象的大小都在紅細胞級別。并且，讓這樣尺度的“宏觀”物體形成量子效應也絕非易事，它們與環境之間多種多樣的互相作用隨時就會破壞脆弱的量子態。因此，兩個實驗環境濕度都被控制絕對零度附近。
宏觀量子糾纏
在其中一項研究中量子通訊的原理，法國國家標準技術研究所（NIST）的什洛米·科特勒（）團隊用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜步入量子糾纏狀態。每張鋁片膜長20微米，寬14微米，長度為100納米。其質量為70皮克，相當于大概1萬億個原子的質量。以量子的標準而言，它們已然達到了相當大的尺度。
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該實驗中使用鋁內耳的掃描電鏡相片（偽色圖）圖片來源：vol.372no.6542622-625
兩張鋁片膜與一個電路相連，并被放置在高溫腔中。當研究人員施加脈沖微波時，電路會與鋁片膜互相作用，控制鋁片膜的震動模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大概1微秒的量子狀態。這在量子熱學的尺度下，早已是相當長的時間了。微波被處于量子狀態的鋁片膜反射后，會被訊號器接收。通過對比反射前后的微波性質，研究人員可以剖析出鋁片膜的位置和動量信息。
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該實驗系統示意圖圖片來源：vol.372no.6542622-625
研究團隊仔細剖析了反射的微波。在宏觀世界中，反射回去的微波應當是隨機的。并且當她們將結果勾畫成圖時，卻發覺微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個相對平淡，而另一個則在輕微地發抖，表明兩張鋁片膜發生了量子糾纏。
“單獨剖析兩張鋁片膜震動的位置和動量信息，你只能看出它們在震動而已，”這篇論文的作者之一，NIST的化學學家約翰·托伊費爾（John）表示，“但是當你對比二者的信息時，你都會發覺兩張鋁片膜看似無規律的震動之間，雖然存在著高度的關聯性。這一點只有量子糾纏才做得到。”
研究團隊的斯科特·格蘭西（Scott）解釋稱，她們發覺兩張鋁片膜的位置和動量之間都存在關聯，假如這些關聯比精典數學學所能形成的關聯要強，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就能同時檢測鋁片膜的位置和動量信息，而且不確定性原理表明，其檢測依然存在一定的偏差。為了盡可能地降低偏差，研究團隊進行了1萬次重復實驗，并借助統計學方式對鋁片膜的位置等實驗結果的一致性進行了估算。最終她們可以確定，這兩個宏觀物體的振動模式被量子糾纏關聯了上去。
“規避”不確定性原理
在同期發布的另一篇論文中，來自美國阿爾托學院等研究機構的科學家在8毫開爾文的氣溫下，讓兩個鋁內耳步入長時間、相對穩定的糾纏態。在這些糾纏態下，研究人員可以對同一個糾纏態進行多次檢測，因而“規避”量子熱學中的不確定性原理。
在實驗中，鼻竇震動的相位總是相反的。假如對鼻竇1施加一個力，則內耳2的運動方向一定和力的方向相反。論文作者米卡·西蘭普（Mika??）表示：“一個鼻竇對力的響應總是和另一個鼻竇相反的，有點類似于負質量。”
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該實驗示意圖圖片來源：vol.372no.6542625-629
“在這些情況下，假若將兩個鼓視為一個量子熱學實體，這么鼓運動狀態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。
不確定性原理是20世紀20年代末由海森堡提出的。按照這個量子熱學的基本概念，因為波函數的物理性質，我們不可能同時確切得悉一個物體的位置和動量。
不過，這并不意味著我們不能確切得悉物體的位置和動量，只是在同時檢測三者時，不確定性原理的限制才能出現。而反作用規避（Back-）就是在不違背不確定性原理的情況下，繞開這一限制的一種形式。
在此次的實驗中，研究團隊就借助了反作用規避。本質上，她們沒有檢測每位鼓的位置和動量，而是通過外耳運動對電路電流引起的影響，檢測了鋁內耳的動量之和。德國慕尼黑聯邦理工大學研究員楚一文（YiwenChu，譯音，未參與這兩項研究）表示：“實驗中沒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，不會被（不確定性原理）嚴禁的參數。”
宏偉的新藍圖
這兩項實驗都以確鑿的證據證明了宏觀物體也可以實現量子糾纏。在量子糾纏的狀態下，物體的行為與精典數學的描述存在明顯的區別。不論糾纏物體之間的空間距離有多遠，它們也不能被獨立描述。而這些和精典化學明顯的區別，正是新型量子技術背后的關鍵理論支撐之一。
楚一文表示：“我們并沒有發覺任何量子熱學之外的新理論，”但是要實現這兩項實驗中的檢測，依然須要“令人印象深刻的技術進步”。
這些技術進步帶來的高度糾纏的量子系統，其實能否在未來的量子網路中充當常年網路節點。據悉，研究中的高效檢測方式也可能對量子通訊或則量子網路節點間的糾纏交換等應用有所幫助，由于這種應用都須要對量子糾纏進行檢測。
而在量子熱學之外，這些技術進步在須要亞原子精度檢測時為科學家提供了新的選擇。其實，未來的暗物質和引力波偵測也將在這些技術的幫助下實現新的飛越。
編譯：王昱、洪藝瑞
審校：吳非
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