量子力學研究的是宇宙在超小尺度上的行為：原子和亞原子粒子以經典物理學無法解釋的方式執行。為了探索量子和經典之間的這種張力，科學家們正試圖讓越來越大的物體以類似量子的方式行為。

在這項特殊的研究中，問題的物件是一個微小的玻璃奈米球，直徑為100奈米——大約比人類頭髮厚度的千分之一還要小。在我們看來，這是非常非常小的，但從量子物理的角度來看，它實際上是相當大的，由1000萬個原子組成。

將這樣一個奈米球推進量子力學領域，實際上是一項巨大的成就，而最近物理學家已經成功做到了這一點。一組國外研究人員成功展示了對光學捕獲奈米粒子的量子軌跡的實時最佳化控制。

使用精心校準的鐳射，奈米球懸浮在其最低的量子力學狀態中——這是一個可以開始發生量子行為的極其有限的運動狀態。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的光子學教授Lukas Novotny說：“這是第一次用這種方法，來控制自由空間中宏觀物體的量子態。”

為了達到量子狀態，運動和能量必須被精確地撥動。Novotny和他的同事在使用反饋系統進行進一步調整之前，使用了一個冷卻至-269℃（-452℉）的真空容器。

利用兩束鐳射束產生的干涉圖樣，研究人員計算出了納米球在其內部的精確位置——然後利用兩個電極產生的電場，進行精確調整，使物體的運動接近於零。

這和透過推拉來減慢操場鞦韆的速度，並沒有太大的區別。一旦達到最低的量子力學狀態，進一步的實驗就可以開始了。

他們將接近海森堡極限（Heisenberg limit）的共焦位置感測，與透過卡爾曼濾波進行的最優狀態估計相結合，以實時追蹤相空間中的例子運動，位置不確定性是零點波動的1。3倍。最優反饋可以將量子諧振子的量子佔有率穩定在0。56±0。02量子，從而實現了從室溫開始的量子基態冷卻。

他們使用了所謂的光學諧振器來利用光平衡物體。這更好地保護了納米球不受干擾——這意味著在鐳射關閉後，物體可以被隔離觀察——儘管這需要大量的進一步研究來實現。

研究者現在能夠以前所未有的精度，測量由10億個原子組成的熱玻璃球（直徑小於200奈米），並在量子水平上實現對它的控制。測量方法幾乎達到了海森堡不確定性原理設定的極限。

研究人員希望，他們的發現能有用的方法之一是研究量子力學如何使基本粒子表現得像波一樣。像這種奈米球這樣的超靈敏裝置，也有可能幫助開發我們今天所擁有的下一代感測器。

在低溫環境中使如此大的球體懸浮，代表著向宏觀尺度的重大飛躍，在宏觀尺度上經典和量子之間的線可以被研究。

研究人員在他們發表的論文中總結道：“加上光捕獲勢是高度可控的這一事實，我們的實驗平臺提供了一條在宏觀尺度上研究量子力學的途徑。”

這項研究已經發表在《自然》（Nature）雜誌上。

譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考來源：https：//www。sciencealert。com/physicists-have-brought-a-tiny-nanosphere-to-the-edge-of-quantum-behavior

論文連結：https：//www。nature。com/articles/s41586-021-03602-3