小小铝鼓,敲出宏观量子纠缠

量子力学的适用范围或许可以更大

振动铝膜为宏观物体的量子纠缠提供了首个直接证据。本文来自微信公众号:Nature Portfolio(ID:nature-portfolio),由施普林格·自然上海办公室负责翻译,原文作者:Davide Castelvecchi,头图来自:视觉中国

通过让两个很小的鼓振动,物理学家为较大物体的量子纠缠(一种通常与亚原子粒子有关的奇异效应)提供了迄今最直接的演示。

5月6日发表在《科学》上的两篇论文[1,2]描述了这一成果,有望帮助研究人员建造出灵敏度空前的测量装置,以及在某些运算领域超过普通计算机的量子计算机。

Kotler团队用来演示量子纠缠的微小铝膜。来源:Florent Lecoq and Shlomi Kotler/NIST

根据量子力学有违直觉的规律,两个物体可以处于同一个“纠缠”态。一个物体的可测量属性,如位置或速度,与另一个物体的可测量属性相关,这种相关程度要强于经典(非量子)物理学中能达到的程度。

虽然量子物理学中没有哪条法则规定这种量子怪异(quantum weirdness)现象只能发生在亚原子尺度,但该理论预测,在更大的尺度上——比如一只猫的大小——量子效应将变得微不足道,以至于难以在实际中观测到。物理学家一直在争论,这是否来自我们感官和仪器上的限制;抑或是宏观对象受其自身定律的约束,而这些定律与量子力学在根本上有所不同。 

为了研究这个问题,研究人员一直设法在更大尺度上观察量子效应。“我们研究的一个问题是:经典世界中有量子吗?” 芬兰阿尔托大学的物理学家Mika Sillanpää说。

量子鼓

在美国国家标准与技术研究院开展的一项实验中,物理学家Shlomi Kotler和他的合作者打造了一对振动铝膜——有点像两个迷你鼓,每个约10微米长。

虽然这对铝膜用肉眼几乎看不见,但以量子的标准来看,它们非常巨大,每个膜由约一万亿原子组成。当一个世纪前的物理学家发现量子力学时,“人们还无法想象可以用这么大的物体开展实验”,耶路撒冷的希伯来大学的Kotler说。

该团队用微波光子轻微触动铝膜,使它们同步振动,这样一来,它们的运动就处于一种量子纠缠的状态:在某个时间点,随着鼓上下振动,测量其离开平面的位移显示它们处于完全相同的位置,测量其速度也显示完全相反的值。

之前另外两个实验室也在宏观振动物体上进行过类似的测量,并给出了纠缠态的间接证据[3,4]。但这一次,Kotler和团队在设备一出现信号时便立即放大信号,更加直观地“看到了”纠缠。Kotler说,这有点像老唱片播放员在信号发送到放大器前会预放大信号,帮助减少嘶嘶声。该团队还改善了前期的技术,让创造纠缠的过程更稳定。

这些步骤对于实际应用至关重要,比如能在大量膜的振动中编码信息的量子计算机,Kotler说,这是一种替代当前主流方案的极端方法——主流方案一般会使用电流或原子系统。亚马逊公司最近宣布它正在研究利用振动晶体来编码和处理量子信息的可行性。

测不准

在另一个使用量子鼓的独立实验中,Sillanpää领导的团队探索了海森堡不确定性原理(Heisenberg uncertainty principle)的限制。海森堡不确定性原理认为,任何测量行为必然会改变被测量物体的状态。

该团队也打造了一对微小的铝鼓,并使用了微波频率的光子——既可以使鼓进入同步振动模式,又可以读出鼓的位置。

该团队的实验有一个不同于Kotler团队实验的目的——他们想探测量子和非量子行为之间的边界。经过调整,他们让振荡鼓以协调但不同的方向运动,让它们的一些可测量属性与一个虚拟振荡鼓的可测量属性相同。

通过这种方式,研究人员能够在测量虚拟鼓位置的同时不影响其速度。按照海森堡不确定性原理,这对一个标准量子谐振子来说是不可能的。加拿大西蒙弗雷泽大学的理论物理学家刘恺堃(Hoi-Kwan Lau)说,为了绕开这种限制,研究人员“利用量子力学对付量子力学”。

和Kotler的实验一样,这两个鼓也进入了同一个纠缠态,这种测量方式使得研究大物体的纠缠态如何自发演变这一问题成为可能。“我们可以在不破坏纠缠态的情况下连续测量这种纠缠态。”本文共同作者、Sillanpää在阿尔托大学的同事Laure Mercier de Lépinay说。

量子鼓技术有望让研究人员开发出打破量子力学对测量束缚的新仪器。“一种应用是力传感器,”Lau说,取决于器件设计,这种力传感器可以测量不同类型的力,例如磁力或引力。

参考文献:

1. Kotler, S. et al. Science 372, 622–625 (2021).

2. Mercier de Lépinay, L. et al. Science 372, 625–629 (2021).

3. Riedinger, R. et al. Nature 556, 473–477 (2018).

4. Ockeloen-Korppi, C. F. et al. Nature 556, 478–482 (2018).

原文以Minuscule drums push the limits of quantum weirdness标题发表在2021年5月6日的《自然》的新闻版块上,© nature, doi: 10.1038/d41586-021-01223-4

本文来自微信公众号:Nature Portfolio(ID:nature-portfolio)由施普林格·自然上海办公室负责翻译,原文作者:Davide Castelvecchi

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