科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志報(bào)道，日本東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)粒子的“量子擠壓”，即粒子運(yùn)動(dòng)的不確定性小于量子力學(xué)零點(diǎn)漲落。這一成果不僅為基礎(chǔ)物理研究開辟了新路徑，也有助推動(dòng)未來高精度傳感、自動(dòng)駕駛及無GPS信號(hào)導(dǎo)航等技術(shù)發(fā)展。

宏觀尺度的物理世界，從塵埃到行星，遵循的是牛頓在17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典力學(xué)定律。而微觀世界則遵循量子力學(xué)規(guī)律，其中一個(gè)重要特征是“不確定性”。也就是說，測(cè)量的精度天生受到量子力學(xué)漲落的限制。例如，零點(diǎn)漲落就是被囚禁粒子在最低能量狀態(tài)下，其位置和速度仍會(huì)存在的量子力學(xué)漲落。所謂量子擠壓，是指通過特殊方法產(chǎn)生不確定性小于零點(diǎn)漲落的量子態(tài)。實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)不僅對(duì)準(zhǔn)確理解自然世界至關(guān)重要，也有助于開發(fā)下一代可能受量子現(xiàn)象影響的技術(shù)。

雖然量子力學(xué)已在光子、原子等微觀粒子上得到充分驗(yàn)證，但在納米尺度的大尺寸物體上仍存在未解之謎。研究人員表示，創(chuàng)造合適的實(shí)驗(yàn)條件一直是巨大挑戰(zhàn)。

為此，團(tuán)隊(duì)選擇了一種由玻璃制成的納米級(jí)粒子，將其懸浮于真空環(huán)境中，并冷卻至最低能量狀態(tài)，從而降低其不確定性。在確保囚禁勢(shì)場(chǎng)得到最佳調(diào)制后，他們釋放粒子并測(cè)量其速度，再通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得粒子在該勢(shì)場(chǎng)下的速度分布。結(jié)果顯示，當(dāng)釋放時(shí)機(jī)最佳時(shí)，速度分布比最低能量狀態(tài)下的不確定性更窄，證明實(shí)現(xiàn)了量子擠壓。

這一成果并非一蹴而就。團(tuán)隊(duì)在多年探索中克服了諸多技術(shù)難題，包括粒子懸浮帶來的額外漲落以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的微小擾動(dòng)等。最終，他們找到了能夠穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)的條件，成功完成了量子擠壓的驗(yàn)證。

這一懸浮納米級(jí)粒子體系對(duì)環(huán)境極為敏感，是研究量子與經(jīng)典力學(xué)過渡現(xiàn)象的理想平臺(tái)，也為未來新型量子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

總編輯圈點(diǎn)

這是量子操控領(lǐng)域的“一小步”，也是將量子力學(xué)從微觀粒子層面拓展到納米尺度的“一大步”。該技術(shù)為解決基礎(chǔ)科學(xué)難題和開發(fā)革命性技術(shù)提供了平臺(tái)。譬如在導(dǎo)航領(lǐng)域，基于量子擠壓的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可擺脫對(duì)外部信號(hào)的依賴，大幅提升自動(dòng)駕駛、深海探測(cè)和太空任務(wù)的定位精度與可靠性；在精密測(cè)量方面，其能顯著提高原子鐘、重力儀和磁場(chǎng)傳感器的靈敏度，推動(dòng)基礎(chǔ)物理常數(shù)測(cè)量、暗物質(zhì)搜索和早期宇宙研究；甚至在材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也能為開發(fā)新型傳感器、單分子檢測(cè)技術(shù)和靶向藥物遞送系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。