室温量子突破实现粒子运动锁定无需冷却

作为悬浮实验的一部分，由光子学兼职教授马丁·弗利默（Martin Frimmer）领导的研究人员得以消除作用于玻璃球上的引力。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摆动。对于纳米团簇而言，这种颤动运动非常快速但微弱：该物体每秒发生约100万次偏转，每次偏转幅度仅为千分之几度。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，任何物体都不可能保持绝对静止，"弗利默研究组的博士后、该研究的第一作者洛伦佐·达尼亚（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，还没有人能够像苏黎世联邦理工学院的研究人员现在所做的那样，如此精确地探测到这种尺寸物体的微小运动。他们之所以取得成功，是因为能够基本消除所有源自经典物理学领域、干扰量子运动观测的运动。苏黎世联邦理工学院的研究人员将其实验中团簇运动的92%归因于量子物理学，8%归因于经典物理学；因此他们称其具有高量子纯度。"事前我们并未预料能达到如此高的量子纯度，"达尼亚解释道。

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（零下273摄氏度）。而这里无需这样做。弗利默打了个比方："这就像我们造出了一辆新型运输工具，它比传统卡车运载量更大，同时能耗更低。"

微小与庞大并存

尽管许多研究人员研究单个或小群原子中的量子效应，但弗利默及其团队致力于研究相对较大的物体。他们的纳米团簇在日常尺度上可能微不足道，但它由数亿个原子组成，从量子物理学家的视角看堪称巨大。对此类尺寸物体的兴趣部分源于对未来量子技术应用的期望。这类应用需要利用量子力学原理控制更大的系统。

研究人员使用所谓的光镊实现了纳米颗粒的悬浮。在此过程中，颗粒被置于透明真空容器内。通过透镜将偏振激光聚焦于容器内部某一点。在该焦点处，颗粒与偏振激光的电场对齐从而保持稳定。

"完美的起点"

"我们所达成的是进一步研究的完美起点，这些研究终有一天将转化为应用，"弗利默说。他表示，此类应用首先需要一个具有高量子纯度的系统，其中所有外部干扰均可被成功抑制，并能按需控制运动状态。他补充道，这点现已实现。随后将可能探测量子力学效应、进行测量并将系统用于量子技术应用。

潜在应用包括物理学基础研究，以设计实验探索引力与量子力学之间的关系。还可设想开发用于测量微小作用力（如气体分子乃至作用于传感器的基本粒子）的传感器。这将有助于暗物质搜寻。"我们现在拥有一个相对简单、成本低廉且非常适合此目的的系统，"弗利默说。

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接收背景噪声的环境中检测微弱信号。另一潜在应用可能是运动传感器，它能在无法连接GPS卫星时辅助车辆导航。

对于大多数此类应用，量子系统需实现小型化。根据苏黎世联邦理工学院研究人员的说法，这在原理上是可行的。无论如何，他们已找到一种方法，无需耗时、昂贵且高能耗的冷却过程即可实现所需的可控量子态。