室温量子突破实现免冷却运动冻结

作为悬浮实验的一部分，由光子学客座教授 Martin Frimmer 领导的研究人员成功消除了作用于玻璃球体的引力。然而，细长的纳米物体仍在颤动，类似于指南针指针在定位时的移动方式。对于该纳米团簇而言，这种颤动运动非常快速但微弱：物体每秒发生约一百万次偏转，每次偏转仅千分之几度。这种微小的旋转振荡是所有物体表现出的基本量子运动，物理学家称之为零点涨落。“根据量子力学原理，没有任何物体能保持绝对静止，” Frimmer 研究组的博士后、该研究的第一作者 Lorenzo Dania 解释道。“物体越大，这些零点涨落就越小，观测它们也就越困难。”

多项纪录

迄今为止，尚未有人能像苏黎世联邦理工学院（ETH）研究人员现在所做的那样，如此精确地检测到这种尺寸物体的微小运动。他们之所以成功，是因为能够基本消除所有源自经典物理学领域、掩盖量子运动观测的运动。ETH 研究人员将实验中团簇运动的 92% 归因于量子物理学，8% 归因于经典物理学；因此他们称之为高量子纯度。“事前我们并未预料能达到如此高的量子纯度，” Dania 解释道。

纪录不止于此：研究人员在室温下完成了这一切。量子研究人员通常需要使用特殊设备将物体冷却至接近绝对零度（-273 摄氏度）。而此处无需如此。Frimmer 作了一个类比：“这就像我们制造了一辆新车，它比传统卡车运输更多货物，同时消耗更少的燃料。”

既微小又巨大

虽然许多研究人员研究单个或小群原子中的量子效应，但 Frimmer 和他的团队属于那些使用相对较大物体进行研究的人员。他们的纳米球团簇在日常概念中可能很微小，但它由数亿个原子组成，从量子物理学家的角度来看是巨大的。对此尺寸物体的兴趣部分源于对未来量子技术应用的期望。例如，此类应用需要利用量子力学原理控制更大的系统。

研究人员能够使用所谓的光学镊子悬浮他们的纳米粒子。在此过程中，粒子被置于透明容器的真空中。透镜用于将偏振激光聚焦于该容器内部的一个点上。在该焦点处，粒子与偏振激光的电场对齐，从而保持稳定。

“完美的开端”

“我们所取得的成就是进一步研究的完美开端，这些研究有朝一日可能应用于实际，” Frimmer 说。他阐述道，对于此类应用，首先需要一个具有高量子纯度的系统，在该系统中所有外部干扰都能被成功抑制，并能按期望方式控制运动。他补充说，这一点现已实现。随后就有可能探测量子力学效应，测量这些效应，并将该系统用于量子技术应用。

可能的应用包括物理学基础研究，以设计实验来探究引力与量子力学之间的关系。也可设想开发传感器来测量微小作用力，例如气体分子甚至作用于传感器的基本粒子的力。这在寻找暗物质时将非常有用。“我们现在拥有一个相对简单、经济高效且非常适合此目的的系统，” Frimmer 表示。

导航与医学应用

在遥远的未来，量子传感器也可能用于医学成像。人们希望它们能在测量设备主要拾取背景噪声的环境中检测微弱信号。另一个潜在应用可能是运动传感器，即使在没有 GPS 卫星接触的情况下也能辅助车辆导航。

对于大多数此类应用，量子系统需要小型化。根据 ETH 研究人员的说法，这在原则上是可行的。无论如何，他们找到了一种方法，可以在无需耗时、昂贵且耗能的冷却情况下，实现所需的可控量子态。