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圖片來(lái)源：阿爾托大學(xué)

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在量子力學(xué)面前，我們在生活中積累的常識往往不再適用。好在由于普朗克常數很小，我們平時(shí)并不會(huì )被種種奇怪的量子效應困擾，不過(guò)這并不意味著(zhù)量子力學(xué)僅能描述微觀(guān)層面幾個(gè)原子、分子的行為。宏觀(guān)物體的量子效應是存在的，只不過(guò)它們太微弱，很容易就淹沒(méi)在種種噪聲之中。

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編譯｜王昱 洪藝瑞

審校｜吳非

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量子力學(xué)掌控著(zhù)從基本粒子到宏觀(guān)物體的運動(dòng)規律，但對于后者而言，這種掌控往往顯得不太明顯。在眾多因素的干擾下，量子效應對經(jīng)典物理造成的偏差變得幾乎不可見(jiàn)。因此，確認、測量宏觀(guān)物體的量子效應，就成為眾多物理學(xué)家的目標。

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就在今天，發(fā)表于最新一期《科學(xué)》雜志的兩項研究實(shí)現了突破：其中一項研究找到了宏觀(guān)物體量子糾纏的直接證據，另一項則在一個(gè)類(lèi)似的系統中“規避”了量子力學(xué)的基本定律之一——不確定性原理。

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當然，這里的宏觀(guān)僅僅是相對于分子、原子的宏觀(guān)，兩項研究中實(shí)驗對象的大小都在紅細胞級別。但是，讓這樣尺度的“宏觀(guān)”物體產(chǎn)生量子效應也絕非易事，它們與環(huán)境之間多種多樣的相互作用隨時(shí)都會(huì )破壞脆弱的量子態(tài)。為此，兩個(gè)實(shí)驗環(huán)境溫度都被控制絕對零度附近。

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宏觀(guān)量子糾纏

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在其中一項研究中，美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）的什洛米·科特勒（Shlomi Kotler）團隊用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)。每張鋁片膜長(cháng)20微米，寬14微米，厚度為100納米。其質(zhì)量為70皮克，相當于大約1萬(wàn)億個(gè)原子的質(zhì)量。以量子的標準而言，它們已經(jīng)達到了相當大的尺度。

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該實(shí)驗中使用鋁鼓膜的掃描電鏡照片（偽色圖） 圖片來(lái)源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

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兩張鋁片膜與一個(gè)電路相連，并被放置在低溫腔中。當研究人員施加脈沖微波時(shí)，電路會(huì )與鋁片膜相互作用，控制鋁片膜的振動(dòng)模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大約1毫秒的量子狀態(tài)。這在量子力學(xué)的尺度下，已經(jīng)是相當長(cháng)的時(shí)間了。微波被處于量子狀態(tài)的鋁片膜反射后，會(huì )被信號器接收。通過(guò)對比反射前后的微波性質(zhì)，研究人員可以分析出鋁片膜的位置和動(dòng)量信息。

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該實(shí)驗系統示意圖 圖片來(lái)源：Science vol. 372 no. 6542 622-625

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研究團隊仔細分析了反射的微波。在宏觀(guān)世界中，反射回來(lái)的微波應該是隨機的。但是當他們將結果繪制成圖時(shí)，卻發(fā)現微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個(gè)相對平靜，而另一個(gè)則在輕微地抖動(dòng)，表明兩張鋁片膜發(fā)生了量子糾纏。

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“單獨分析兩張鋁片膜振動(dòng)的位置和動(dòng)量信息，你只能看出它們在振動(dòng)而已，”這篇論文的作者之一，NIST的物理學(xué)家約翰·托伊費爾（John Teufel）表示，“但是當你對比兩者的信息時(shí)，你就會(huì )發(fā)現兩張鋁片膜看似無(wú)規律的振動(dòng)之間，其實(shí)存在著(zhù)高度的關(guān)聯(lián)性。這一點(diǎn)只有量子糾纏才做得到?！?/p>

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研究團隊的斯科特·格蘭西（Scott Glancy）解釋稱(chēng)，他們發(fā)現兩張鋁片膜的位置和動(dòng)量之間都存在關(guān)聯(lián)，如果這種關(guān)聯(lián)比經(jīng)典物理學(xué)所能產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)要強，那么就表明鋁片膜之間肯定存在量子糾纏。

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盡管返回的脈沖微波信號能夠同時(shí)測量鋁片膜的位置和動(dòng)量信息，但是不確定性原理表明，其測量仍然存在一定的誤差。為了盡可能地減少誤差，研究團隊進(jìn)行了1萬(wàn)次重復實(shí)驗，并利用統計學(xué)方法對鋁片膜的位置等實(shí)驗結果的一致性進(jìn)行了計算。最終他們可以確定，這兩個(gè)宏觀(guān)物體的振動(dòng)模式被量子糾纏關(guān)聯(lián)了起來(lái)。

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“規避”不確定性原理

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在同期發(fā)布的另一篇論文中，來(lái)自芬蘭阿爾托大學(xué)等研究機構的科學(xué)家在8毫開(kāi)爾文的溫度下，讓兩個(gè)鋁鼓膜進(jìn)入長(cháng)時(shí)間、相對穩定的糾纏態(tài)。在這種糾纏態(tài)下，研究人員可以對同一個(gè)糾纏態(tài)進(jìn)行多次測量，從而“規避”量子力學(xué)中的不確定性原理。

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在實(shí)驗中，鼓膜振動(dòng)的相位總是相反的。如果對鼓膜1施加一個(gè)力，則鼓膜2的運動(dòng)方向一定和力的方向相反。論文作者米卡·西蘭普（Mika Sillanp??）表示：“一個(gè)鼓膜對力的響應總是和另一個(gè)鼓膜相反的，有點(diǎn)類(lèi)似于負質(zhì)量?！?/p>

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該實(shí)驗示意圖 圖片來(lái)源：Science vol. 372 no. 6542 625-629

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“在這種情況下，如果將兩個(gè)鼓視為一個(gè)量子力學(xué)實(shí)體，那么鼓運動(dòng)狀態(tài)的不確定性就被消除了?！痹撗芯康闹饕髡邉诶住っ肺鳡枴さ滤固仄眨↙aure Mercier de Lépinay）解釋說(shuō)。

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不確定性原理是20世紀20年代末由海森堡提出的。根據這個(gè)量子力學(xué)的基本概念，由于波函數的數學(xué)性質(zhì)，我們不可能同時(shí)準確得知一個(gè)物體的位置和動(dòng)量。

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不過(guò)，這并不意味著(zhù)我們不能準確得知物體的位置和動(dòng)量，只是在同時(shí)測量?jì)烧邥r(shí)，不確定性原理的限制才會(huì )出現。而反作用規避（Back-action evasion）就是在不違反不確定性原理的情況下，繞過(guò)這一限制的一種方式。

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在這次的實(shí)驗中，研究團隊就利用了反作用規避。本質(zhì)上，他們沒(méi)有測量每個(gè)鼓的位置和動(dòng)量，而是通過(guò)鼓膜運動(dòng)對電路電壓造成的影響，測量了鋁鼓膜的動(dòng)量之和。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究員楚一文（Yiwen Chu，音譯，未參與這兩項研究）表示：“實(shí)驗中沒(méi)有任何地方違反了不確定性原理。你只是選擇了一組特定的，不會(huì )被（不確定性原理）禁止的參數?！?/p>

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宏偉的藍圖

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這兩項實(shí)驗都以確鑿的證據證明了宏觀(guān)物體也可以實(shí)現量子糾纏。在量子糾纏的狀態(tài)下，物體的行為與經(jīng)典物理的描述存在顯著(zhù)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。而這種和經(jīng)典物理顯著(zhù)的區別，正是新型量子技術(shù)背后的關(guān)鍵理論支撐之一。

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楚一文表示：“我們并沒(méi)有發(fā)現任何量子力學(xué)之外的新理論，”但是要實(shí)現這兩項實(shí)驗中的測量，仍然需要“令人印象深刻的技術(shù)進(jìn)步”。

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這種技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的高度糾纏的量子系統，或許能夠在未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò )中充當長(cháng)期網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。此外，研究中的高效測量方法也可能對量子通信或者量子網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的糾纏交換等應用有所幫助，因為這些應用都需要對量子糾纏進(jìn)行測量。

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而在量子力學(xué)之外，這種技術(shù)進(jìn)步在需要亞原子精度測量時(shí)為科學(xué)家提供了新的選擇?；蛟S，未來(lái)的暗物質(zhì)和引力波探測也將在這種技術(shù)的幫助下實(shí)現新的飛躍。

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參考鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/622

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/625

https://www.scientificamerican.com/article/scientists-supersize-quantum-effects-with-entangled-drum-duet1/

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/05/nist-team-directs-and-measures-quantum-drum-duet

https://science.sciencemag.org/content/372/6542/570


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