首次！宏觀世界的量子糾纏，被直接觀測到了
圖片來源：阿爾託大學
在量子力學面前，我們在生活中積累的常識往往不再適用。好在由於普朗克常數很小，我們平時並不會被種種奇怪的量子效應困擾，不過這並不意味着量子力學僅能描述微觀層面幾個原子、分子的行為。宏觀物體的量子效應是存在的，只不過它們太微弱，很容易就淹沒在種種噪聲之中。今天，兩組科學家分別在《科學》上發文指出，他們首次直接觀測到了宏觀物體的量子糾纏，甚至還能以此“規避”不確定性原理。
編譯｜王昱 洪藝瑞
審校｜吳非
量子力學掌控着從基本粒子到宏觀物體的運動規律，但對於後者而言，這種掌控往往顯得不太明顯。在眾多因素的干擾下，量子效應對經典物理造成的偏差變得幾乎不可見。因此，確認、測量宏觀物體的量子效應，就成為眾多物理學家的目標。
就在今天，發表於最新一期《科學》雜誌的兩項研究實現了突破：其中一項研究找到了宏觀物體量子糾纏的直接證據，另一項則在一個類似的系統中“規避”了量子力學的基本定律之一——不確定性原理。
當然，這裏的宏觀僅僅是相對於分子、原子的宏觀，兩項研究中實驗對象的大小都在紅細胞級別。但是，讓這樣尺度的“宏觀”物體產生量子效應也絕非易事，它們與環境之間多種多樣的相互作用隨時都會破壞脆弱的量子態。為此，兩個實驗環境温度都被控制絕對零度附近。
宏觀量子糾纏
在其中一項研究中，美國國家標準技術研究所（NIST）的什洛米·科特勒（Shlomi Kotler）團隊用微波脈衝讓兩張小的鋁片膜進入量子糾纏狀態。每張鋁片膜長20微米，寬14微米，厚度為100納米。其質量為70皮克，相當於大約1萬億個原子的質量。以量子的標準而言，它們已經達到了相當大的尺度。
該實驗中使用鋁鼓膜的掃描電鏡照片（偽色圖） 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625
兩張鋁片膜與一個電路相連，並被放置在低温腔中。當研究人員施加脈衝微波時，電路會與鋁片膜相互作用，控制鋁片膜的振動模式。在此條件下，鋁片膜可以維持大約1毫秒的量子狀態。這在量子力學的尺度下，已經是相當長的時間了。微波被處於量子狀態的鋁片膜反射後，會被信號器接收。通過對比反射前後的微波性質，研究人員可以分析出鋁片膜的位置和動量信息。
該實驗系統示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 622-625
研究團隊仔細分析了反射的微波。在宏觀世界中，反射回來的微波應該是隨機的。但是當他們將結果繪製成圖時，卻發現微波具有特定的模式——兩張鋁片膜中，一個相對平靜，而另一個則在輕微地抖動，表明兩張鋁片膜發生了量子糾纏。
“單獨分析兩張鋁片膜振動的位置和動量信息，你只能看出它們在振動而已，”這篇論文的作者之一，NIST的物理學家約翰·託伊費爾（John Teufel）表示，“但是當你對比兩者的信息時，你就會發現兩張鋁片膜看似無規律的振動之間，其實存在着高度的關聯性。這一點只有量子糾纏才做得到。”
研究團隊的斯科特·格蘭西（Scott Glancy）解釋稱，他們發現兩張鋁片膜的位置和動量之間都存在關聯，如果這種關聯比經典物理學所能產生的關聯要強，那麼就表明鋁片膜之間肯定存在量子糾纏。
儘管返回的脈衝微波信號能夠同時測量鋁片膜的位置和動量信息，但是不確定性原理表明，其測量仍然存在一定的誤差。為了儘可能地減少誤差，研究團隊進行了1萬次重複實驗，並利用統計學方法對鋁片膜的位置等實驗結果的一致性進行了計算。最終他們可以確定，這兩個宏觀物體的振動模式被量子糾纏關聯了起來。
“規避”不確定性原理
在同期發佈的另一篇論文中，來自芬蘭阿爾託大學等研究機構的科學家在8毫開爾文的温度下，讓兩個鋁鼓膜進入長時間、相對穩定的糾纏態。在這種糾纏態下，研究人員可以對同一個糾纏態進行多次測量，從而“規避”量子力學中的不確定性原理。
在實驗中，鼓膜振動的相位總是相反的。如果對鼓膜1施加一個力，則鼓膜2的運動方向一定和力的方向相反。論文作者米卡·西蘭普（Mika Sillanpää）表示：“一個鼓膜對力的響應總是和另一個鼓膜相反的，有點類似於負質量。”
該實驗示意圖 圖片來源：Science vol. 372 no. 6542 625-629
“在這種情況下，如果將兩個鼓視為一個量子力學實體，那麼鼓運動狀態的不確定性就被消除了。”該研究的主要作者勞雷·梅西爾·德斯特普（Laure Mercier de Lépinay）解釋説。
不確定性原理是20世紀20年代末由海森堡提出的。根據這個量子力學的基本概念，由於波函數的數學性質，我們不可能同時準確得知一個物體的位置和動量。
不過，這並不意味着我們不能準確得知物體的位置和動量，只是在同時測量兩者時，不確定性原理的限制才會出現。而反作用規避（Back-action evasion）就是在不違反不確定性原理的情況下，繞過這一限制的一種方式。
在這次的實驗中，研究團隊就利用了反作用規避。本質上，他們沒有測量每個鼓的位置和動量，而是通過鼓膜運動對電路電壓造成的影響，測量了鋁鼓膜的動量之和。瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究員楚一文（Yiwen Chu，音譯，未參與這兩項研究）表示：“實驗中沒有任何地方違反了不確定性原理。你只是選擇了一組特定的，不會被（不確定性原理）禁止的參數。”
宏偉的藍圖
這兩項實驗都以確鑿的證據證明了宏觀物體也可以實現量子糾纏。在量子糾纏的狀態下，物體的行為與經典物理的描述存在顯著的區別。不論糾纏物體之間的空間距離有多遠，它們也不能被獨立描述。而這種和經典物理顯著的區別，正是新型量子技術背後的關鍵理論支撐之一。
楚一文表示：“我們並沒有發現任何量子力學之外的新理論，”但是要實現這兩項實驗中的測量，仍然需要“令人印象深刻的技術進步”。
這種技術進步帶來的高度糾纏的量子系統，或許能夠在未來的量子網絡中充當長期網絡節點。此外，研究中的高效測量方法也可能對量子通信或者量子網絡節點間的糾纏交換等應用有所幫助，因為這些應用都需要對量子糾纏進行測量。
而在量子力學之外，這種技術進步在需要亞原子精度測量時為科學家提供了新的選擇。或許，未來的暗物質和引力波探測也將在這種技術的幫助下實現新的飛躍。
參考鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6542/622
https://science.sciencemag.org/content/372/6542/625
https://www.scientificamerican.com/article/scientists-supersize-quantum-effects-with-entangled-drum-duet1/
https://www.nist.gov/news-events/news/2021/05/nist-team-directs-and-measures-quantum-drum-duet
https://science.sciencemag.org/content/372/6542/570
來源:中科院高能所