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逼近海森堡极限!科学家以前所未有的精度,优化控制小玻璃球量子运动

前瞻网    2021-07-18 18:52

 

量子力学研究的是宇宙在超小尺度上的行为:原子和亚原子粒子以经典物理学无法解释的方式运行。为了探索量子和经典之间的这种张力,科学家们正试图让越来越大的物体以类似量子的方式行为。

在这项特殊的研究中,问题的对象是一个微小的玻璃纳米球,直径为100纳米——大约比人类头发厚度的千分之一还要小。在我们看来,这是非常非常小的,但从量子物理的角度来看,它实际上是相当大的,由1000万个原子组成。

逼近海森堡极限!科学家以前所未有的精度,优化控制小玻璃球量子运动

将这样一个纳米球推进量子力学领域,实际上是一项巨大的成就,而最近物理学家已经成功做到了这一点。一组国外研究人员成功展示了对光学捕获纳米粒子的量子轨迹的实时优化控制。

使用精心校准的激光,纳米球悬浮在其最低的量子力学状态中——这是一个可以开始发生量子行为的极其有限的运动状态。

瑞士苏黎世联邦理工学院的光子学教授Lukas Novotny说:“这是第一次用这种方法,来控制自由空间中宏观物体的量子态。”

为了达到量子状态,运动和能量必须被精确地拨动。Novotny和他的同事在使用反馈系统进行进一步调整之前,使用了一个冷却至-269℃(-452℉)的真空容器。

利用两束激光束产生的干涉图样,研究人员计算出了纳米球在其内部的精确位置——然后利用两个电极产生的电场,进行精确调整,使物体的运动接近于零。

这和通过推拉来减慢操场秋千的速度,并没有太大的区别。一旦达到最低的量子力学状态,进一步的实验就可以开始了。

他们将接近海森堡极限(Heisenberg limit)的共焦位置传感,与通过卡尔曼滤波进行的最优状态估计相结合,以实时追踪相空间中的例子运动,位置不确定性是零点波动的1.3倍。最优反馈可以将量子谐振子的量子占有率稳定在0.56±0.02量子,从而实现了从室温开始的量子基态冷却。

他们使用了所谓的光学谐振器来利用光平衡物体。这更好地保护了纳米球不受干扰——这意味着在激光关闭后,物体可以被隔离观察——尽管这需要大量的进一步研究来实现。

研究者现在能够以前所未有的精度,测量由10亿个原子组成的热玻璃球(直径小于200纳米),并在量子水平上实现对它的控制。测量方法几乎达到了海森堡不确定性原理设定的极限。

研究人员希望,他们的发现能有用的方法之一是研究量子力学如何使基本粒子表现得像波一样。像这种纳米球这样的超灵敏装置,也有可能帮助开发我们今天所拥有的下一代传感器。

在低温环境中使如此大的球体悬浮,代表着向宏观尺度的重大飞跃,在宏观尺度上经典和量子之间的线可以被研究。

研究人员在他们发表的论文中总结道:“加上光捕获势是高度可控的这一事实,我们的实验平台提供了一条在宏观尺度上研究量子力学的途径。”

这项研究已经发表在《自然》(Nature)杂志上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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