量子的運(yùn)動(dòng)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(huì)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(diǎn)，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(tuán)隊(duì)與其合作者首次找到了觀察并控制可見物體量子運(yùn)動(dòng)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?cè)缇椭?，在?jīng)典物理中，物體的確可以是靜止不動(dòng)的。把一個(gè)球丟進(jìn)碗里，球會(huì)前前后后滾幾個(gè)來回，但最終運(yùn)動(dòng)會(huì)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(tuán)隊(duì)和其他一些團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了如何平息微米尺度物體的運(yùn)動(dòng)，使其處于量子基態(tài)的方法，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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(duì)零度下，物體仍然存在振幅極小的漲落，或者說噪聲。”因?yàn)榱孔舆\(yùn)動(dòng)或噪聲，理論上是所有物體固有的一種運(yùn)動(dòng)。施瓦布和他的同事設(shè)計(jì)了一種設(shè)備，使他們可以觀察并控制量子噪聲。這個(gè)微米級(jí)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(dòng)頻率達(dá)到3.5MHz時(shí)，便會(huì)與一個(gè)超導(dǎo)電路耦合。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)法則，振動(dòng)物體如果被冷卻到基態(tài)，則最終會(huì)完全靜止下來。但這種靜止并沒有出現(xiàn)在施瓦布的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究中，我們將量子物理應(yīng)用到相對(duì)大的物體——一個(gè)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(gè)原子。”由于這種噪聲式的量子運(yùn)動(dòng)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室里的微米級(jí)機(jī)械裝置上。“描述量子噪聲或運(yùn)動(dòng)的主要變量有兩個(gè)，”施瓦布解釋道，“我們證明了確實(shí)可以讓一個(gè)變量的量子漲落小一些，而代價(jià)就是另一個(gè)變量的漲落會(huì)增大。這就是所謂的量子壓縮態(tài)（quantum squeezed state）；我們?cè)谝粋€(gè)地方將噪聲壓縮，由于擠壓，必將有另一個(gè)地方噪聲會(huì)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(huì)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(xiàng)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(shí)空結(jié)構(gòu)中的波紋）信號(hào)的計(jì)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(gè)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(fèi)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(huì)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(jí)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(hào)的靈敏度。”施瓦布說。為了做到這一點(diǎn)，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。總有一天，我們會(huì)觸及到引力波那樣大的東西。”他說。

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