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(kāi)辟了新路徑，也有助推動(dòng)未來(lái)高精度傳感、自動(dòng)駕駛及無(wú)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(shuō)，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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)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(guò)渡現(xiàn)象的理想平臺(tái)，也為未來(lái)新型量子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
