科学家无需冷却即可冻结量子运动

例如，直径一百纳米的微小玻璃球体可以接受检查——这仍然比一粒沙子小一千多倍，但按照量子标准却是个巨大的物体。多年来，人们一直在尝试证明此类球体在多大程度上仍表现出量子特性。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一个研究小组在维也纳工业大学（TU Wien）的理论支持下，现已取得突破：他们能够证明，这种粒子的旋转振动行为符合量子物理学规律，不仅在通过复杂冷却方法将其冷却至接近绝对零度时如此，甚至在室温下也是如此。

振动量子：只允许特定晃动

“微观粒子总是会轻微晃动，”维也纳工业大学理论物理研究所的卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）说。“这种振荡取决于温度以及粒子如何受其环境影响。”

在日常生活中，我们假设任何类型的振荡都是可能的。例如，钟摆可以摆动到任意角度，也可以振荡得稍强或稍弱——随心所欲。然而，在量子世界中情况却不同：如果观察能量极低的振荡，你会发现存在非常特定的“振荡量子”。

存在一种称为“基态”的最小振动，一种稍高、携带稍多能量的振动（“第一激发态”），依此类推。不存在中间状态，但粒子可以存在于不同振动状态的量子物理组合中——这是量子物理学的核心概念之一。

“将纳米粒子置于其量子特性显现的状态非常困难，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗说。“必须让粒子悬浮，以尽可能将其与任何干扰隔离。通常还需确保极低的温度，接近绝对零度，即零下273.15摄氏度。”

旋转冻结，粒子保持高温

苏黎世联邦理工学院和维也纳工业大学现已开发出一种技术，即使纳米粒子本身处于炽热、无序的状态，也能使其特定方面进入量子物理态。

“我们使用的纳米粒子并非完美球形，而是略带椭圆形，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“当将这样的粒子置于电磁场中时，它开始旋转。我们的问题是：能否观察到这种旋转振动的量子特性？能否从该旋转运动中提取能量，直至其主要处于量子基态？”

为此使用了激光束和反射镜系统。“激光既可以向纳米粒子提供能量，也可以从中带走能量，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“通过适当调整反射镜，可以确保能量以高概率被提取，仅以低概率被添加。因此旋转运动的能量不断降低，直至我们接近量子基态。”

然而，为实现此目标，必须解决若干困难的理论问题——必须正确理解和控制激光的量子噪声。

破纪录的量子纯度

最终，确实成功证明了旋转可以被带入一种几乎完全对应于量子力学基态的状态。令人惊讶的是，纳米粒子并未冷却——相反，它实际上有数百度高温。

“必须分开考虑不同的自由度，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“这使我们能够非常有效地降低旋转运动的能量，而无需同时减少纳米粒子的内部热能。神奇的是，打个比方，即使粒子本身处于高温，其旋转也能‘冻结’。”

这使创建一种在量子物理学意义上显著“更纯净”的状态成为可能，其纯度超越了此前在同类粒子上所能达到的水平——尽管无需冷却。“这是一种技术上惊人实用的拓展量子物理边界的方法，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗说。“我们现在可以稳定可靠地研究物体的量子特性，这在以前几乎是不可能的。”