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俄勒岡州波特蘭市——一個分子拍手的聲音是怎樣的？研究人員演示了一種可以拾取機械振動單量子（類似於化學反應期間分子震動的單量子）的裝置，並表明該裝置本身（寬度與頭髮相當）的行為彷彿同時存在於兩個位置——一種“量子怪異”的壯舉，到目前為止僅在分子尺度上觀察到。
新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論家 Wojciech Zurek 表示：“這是一個里程碑。它證實了我們許多人所相信的，但有些人仍然抵制——我們的宇宙‘核心是量子的’。”
物理學家早就知道，根據量子力學定律，原子尺度或更小的物體可以同時存在於多個狀態。例如，一個電子可以沿著多條不同的路徑移動，或者一個原子可以同時放置在兩個不同的位置。這種所謂的態疊加原則上也應該適用於更大的物體，就像一個眾所周知的思想實驗，其中一隻貓同時處於死亡和活著的狀態。近年來，各種團隊已經表明，這種怪異現象確實發生在像分子一樣大的物體中，也發生在真正的宏觀系統中，例如超導體中的電流。
在新的實驗中，加州大學聖巴巴拉分校的研究生 Aaron O'Connell 和他的同事們首次表明，更大的物體也可以同時處於兩個位置。O'Connell 說：“它告訴我們，量子力學適用於空間中的宏觀物體。”他在美國物理學會的一次會議上展示了這些結果。該結果也於週三在《自然》雜誌上線上發表。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
該團隊使用計算機晶片製造技術製造了一個機械諧振器——類似於一個小的音叉。該裝置是一塊壓電材料（一種在電場存在下會膨脹或收縮，並在受到應力時產生電場的材料），夾在兩層鋁之間，鋁充當電極。它厚 1 微米，長 40 微米，剛好“肉眼可見”，O'Connell 說。
諧振器的電極連線到基於超導電路的電子讀出裝置，整個裝置保持在真空中，並冷卻到絕對零度以上 2 萬分之一度。但是電子電路也可以用來向電極施加電壓，這樣該團隊就可以隨意地使諧振器膨脹和收縮。這種運動發生在 6 千兆赫或每秒 60 億個週期的特徵或共振頻率下。（音叉也有一個共振頻率——在千赫茲的數量級上——但在那種情況下，共振振動模式是橫向振動而不是膨脹和收縮。）
該團隊的第一個結果表明，在如此寒冷的溫度下，諧振器振動的寬度或幅度變得量子化——換句話說，存在少量的振動能量，稱為聲子，低於這個值諧振器基本上靜止不動。離散的能量包的存在是量子行為的標誌，而聲子是光子的機械等效物——它們是振動的最終不可分割的量子，無論是熱振動還是聲振動。
接下來，該團隊將超導電路置於兩種狀態的疊加態，一種有電流，另一種沒有電流。相應地，諧振器處於振動和不振動的疊加態。這些量子態持續了大約 6 納秒——與該團隊預期的持續時間大致相同——然後消失了。
在振動狀態下，諧振器中的每個原子只移動一個極小的距離——小於原子本身的大小。因此，在狀態疊加中，諧振器從來沒有真正處於兩個完全不同的位置。但是，實驗仍然表明，一個大型物體（諧振器由大約 10 萬億個原子組成）可以表現出與單個原子一樣多的量子怪異現象。“是的，量子力學仍然有效，”加州大學聖巴巴拉分校的 Andrew Cleland 說，他是 O'Connell 的合著者和顧問。至於我們觀察到的日常物體的現實，例如傢俱和水果，是如何從如此不同且奇異的量子世界中產生的，這仍然是一個謎。
除了理論上的意義外，該裝置還可以應用於研究自然界中發生的聲子，因為可以透過電子電路檢測到擾動諧振器的聲子——它本質上是一個量子麥克風。“這是一種非常靈敏的聲振動探測器，”Cleland 說。原則上，甚至可以將分子放置在諧振器上並“聽到它們”相互作用，無論是化學還是其他方式。