量子的運動在光學(xué)顯微鏡下可以看得到

          想象一下落地鐘的鐘擺，假如你忘了給鐘上發(fā)條，那鐘擺最終將會靜止。然而，這樣簡單的現(xiàn)象只適用于經(jīng)典物理（用來解釋宏觀物體的物理法則與原理）。而按照量子力學(xué)（在原子尺度上支配物質(zhì)與光基礎(chǔ)行為的根本法則）的觀點，任何物體都不可能完全靜止。

加州理工學(xué)院的一支研究團隊與其合作者首次找到了觀察并控制可見物體量子運動的方法。他們的成果于8月27日在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

  研究者們早就知道，在經(jīng)典物理中，物體的確可以是靜止不動的。把一個球丟進(jìn)碗里，球會前前后后滾幾個來回，但最終運動會被其他力量克服（如重力和摩擦力），而球也終將靜止在碗底。“在過去幾年里，我的團隊和其他一些團隊已經(jīng)掌握了如何平息微米尺度物體的運動，使其處于量子基態(tài)的方法，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的基思·施瓦布（Keith Schwab）說，他是加州理工學(xué)院的物理與應(yīng)用物理學(xué)教授，“但是我們知道，即使處于量子基態(tài)，在絕對零度下，物體仍然存在振幅極小的漲落，或者說噪聲。”因為量子運動或噪聲，理論上是所有物體固有的一種運動。施瓦布和他的同事設(shè)計了一種設(shè)備，使他們可以觀察并控制量子噪聲。這個微米級的設(shè)備由一塊有彈性的鋁板和一塊置于其下的硅襯底組成。鋁板的振動頻率達(dá)到3.5MHz時，便會與一個超導(dǎo)電路耦合。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)法則，振動物體如果被冷卻到基態(tài)，則最終會完全靜止下來。但這種靜止并沒有出現(xiàn)在施瓦布的實驗中，設(shè)備被冷卻到基態(tài)后，量子噪聲仍然存在。“這種能量是自然界量子描述的一部分，你不可能把它消除掉，”施瓦布說，“我們都知道量子力學(xué)可以精確地解釋電子的怪異行為。在這項研究中，我們將量子物理應(yīng)用到相對大的物體——一個你可以在光學(xué)顯微鏡下看到的設(shè)備上，我們觀察到了萬億原子的量子效應(yīng)，而不僅僅是單個原子。”由于這種噪聲式的量子運動一直存在，不可消除，它從根本上限制了測量物體位置的精確程度。但是，施瓦布和他的同事發(fā)現(xiàn)，這種限制并不是不可克服的。研究人員及其合作者開發(fā)了一種操縱固有量子噪聲的技術(shù)。這項研究的合作者，麥吉爾大學(xué)（McGill University）的阿施施·克拉克（Aashish Clerk）和馬克斯·普朗克光學(xué)研究所（Max Planck Institute for the Science of Light）的佛羅萊恩·馬夸特（Florian Marquardt）提出了一種控制量子噪聲的新方法，這種方法可以周期性地降低量子噪聲。這項技術(shù)隨后被應(yīng)用在了施瓦布在加州理工學(xué)院低溫實驗室里的微米級機械裝置上。“描述量子噪聲或運動的主要變量有兩個，”施瓦布解釋道，“我們證明了確實可以讓一個變量的量子漲落小一些，而代價就是另一個變量的漲落會增大。這就是所謂的量子壓縮態(tài)（quantum squeezed state）；我們在一個地方將噪聲壓縮，由于擠壓，必將有另一個地方噪聲會增大。只要噪聲增大的地方不是你的測量目標(biāo)，那就無關(guān)緊要。”在未來，控制量子噪聲的能力可能會用于提升極靈敏測量的精確性，例如激光干涉引力波觀測站（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory，LIGO），這是一項加州理工學(xué)院與麻省理工學(xué)院共同領(lǐng)導(dǎo)的搜尋引力波（gravitational wave，即時空結(jié)構(gòu)中的波紋）信號的計劃。“我們始終在思考如何利用這些方法探測脈沖星的引力波。脈沖星是一種極為致密的天體，相當(dāng)于把整個太陽的質(zhì)量塞進(jìn)半徑十千米的球體里，脈沖星每秒鐘旋轉(zhuǎn)10到100次，”施瓦布說，“在20世紀(jì)70年代，包括基普·索恩（Kip Thorne，加州理工學(xué)院理論物理學(xué)的費曼講席教授）在內(nèi)的一些人曾寫過相關(guān)文章，認(rèn)為脈沖星應(yīng)該會以近乎完美的周期發(fā)射引力波，所以我們也在認(rèn)真思考如何把這些技術(shù)用在克級別的物體上，以降低探測器的量子噪聲，從而提高捕捉引力波信號的靈敏度。”施瓦布說。為了做到這一點，現(xiàn)有的設(shè)備必須按比例放大。“我們的目標(biāo)是在越來越大的尺度上探測量子力學(xué)特性?？傆幸惶?，我們會觸及到引力波那樣大的東西。”他說。

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