室温量子突破：无需冷却即可冻结粒子运动

在光子学兼职教授 Martin Frimmer 的领导下，研究人员在悬浮实验中成功消除了作用于玻璃球体的重力。然而，这种细长的纳米物体仍然在颤动，类似于罗盘指针在稳定位置时的摆动。对于该纳米团簇而言，这种颤动非常快速但极其微弱：该物体每秒发生约一百万次偏转，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都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 课题组的博士后、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）的研究人员这样，精确探测到如此尺寸物体的微小运动。他们取得这一成就的关键在于能够基本消除所有源于经典物理学的运动，这些运动会干扰量子运动的观测。ETH 研究人员将其实验中团簇运动的 92% 归因于量子物理学，仅 8% 源于经典物理学；因此他们称达到了高度的量子纯度。"事前我们并未预料能实现如此高的量子纯度，"Dania 解释道。

纪录不止于此：研究人员在室温下完成了所有这些工作。量子研究者通常需要使用特殊设备将研究对象冷却至接近绝对零度（-273摄氏度）。而此处则无需冷却。Frimmer 打了一个比方："这就如同我们制造了一辆新型运输工具，它比传统卡车运载更多货物，同时消耗更少燃料。"

既微小又庞大

尽管许多研究者专注于单个或少量原子的量子效应，Frimmer 及其团队则致力于研究相对较大的物体。他们的纳米球团簇在日常尺度上固然微小，但其由数亿个原子组成，从量子物理学家的视角看堪称庞大。对此类尺寸物体的研究兴趣，部分源于对未来量子技术应用的期望。例如，这类应用需要运用量子力学原理控制更大的系统。

研究人员采用所谓的光学镊子实现了纳米粒子的悬浮。在此过程中，粒子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的某一点。在该焦点处，粒子会与偏振激光的电场对齐从而保持稳定。

"完美的开端"

"我们的成果是通往进一步研究的完美起点，终有一日将服务于实际应用，"Frimmer 表示。他指出，此类应用首先需要一个具备高量子纯度的系统，在该系统中所有外部干扰都能被有效抑制，且运动可按需控制。他补充道，这一点现已实现。随后便可能探测量子力学效应，进行测量并应用于量子技术领域。

潜在应用包括物理学基础研究——设计实验以探索引力与量子力学的关系；亦可开发用于测量微弱作用力的传感器，例如气体分子乃至作用于传感器的基本粒子作用力。这在暗物质搜寻中将极具价值。"我们现已拥有一个相对简单、经济且非常适合此目的的系统，"Frimmer 说道。

导航与医疗应用

在遥远的未来，量子传感器还可能应用于医学成像。人们期望它们能在测量设备主要受背景噪声干扰的环境中检测微弱信号。另一潜在应用是运动传感器，它可在无法接收 GPS 卫星信号时辅助车辆导航。

对于大多数此类应用，量子系统需实现微型化。ETH 研究人员表示，这在原则上是可行的。无论如何，他们已找到一种无需耗时、昂贵且高能耗冷却过程即可实现可控量子态的方法。