量子力學更令人惱火的結果之一是揭示了現實在很大程度上是一種持續的幻覺。量子力學不僅僅是一種微觀理論：所有物質從根本上都是量子的——只是碰巧奇怪的量子效應很難在大於幾個原子的任何東西中觀察到。 就像柏拉圖的洞穴寓言中牆壁上閃爍的剪影一樣，宏觀的、所謂的“經典”物體的存在僅僅是它們真實量子形式投下的陰影。 對於物理學家來說，這已經不是新聞了，他們在一個多世紀以來一直在量子世界中摸索，並且大多對現實的崩潰大廈感到坦然。
週四發表在《科學》雜誌上的兩篇新論文突破了物理學家可以在宏觀尺度上實現的量子效應的界限。 兩項研究都觀察到了薄鋁“鼓”中的這種效應，這些鼓的大小與紅細胞大致相同。 在第一項研究中，美國和以色列的研究人員直接且可靠地測量了鼓之間的量子糾纏。 而第二項研究由芬蘭團隊領導，在測量糾纏鼓的同時避免了“反作用”，即與試圖測量物體的位置和動量的行為相關的不可避免的噪聲。
在經典世界中，這種測量的精度在理論上沒有限制。 但德國物理學家維爾納·海森堡在 1920 年代提出的不確定性原理指出，對於鼓等物體的位置和動量，其已知程度存在根本限制。 芝加哥大學的凝聚態物理學家阿希什·克萊克說：“這兩篇論文中描述的技巧是規避你可能認為是對來自海森堡不確定性原理的力進行測量的限制的方法，”他沒有參與這兩項研究。
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糾纏和反作用規避都曾在宏觀系統中觀察到，但方式不同，而且可以說更有限。 2018 年，另一組研究人員使兩條矽條發生糾纏。 其他實驗甚至使鑽石中的振動發生糾纏。 然而，最近的《科學》論文中兩個團隊展示的技巧使他們能夠在觀察量子效應時減少許多限制。
蘇黎世聯邦理工學院的量子研究員易文·朱說：“我們在這裡沒有發現關於量子力學的任何新事物，”他沒有參與這兩項研究。 但她表示，獲得這些測量結果仍然需要“非常令人印象深刻的技術進步”。
這項神秘的研究領域有一個簡單的總體目標：“讓大的東西進入量子態”，克萊克說。 應用範圍從量子計算機到需要亞原子精度的物理學問題，例如暗物質或引力波的探測。
一些研究人員，例如芬蘭阿爾託大學的物理學家、第二篇論文的合著者米卡·西蘭帕，希望測量靈敏的量子效應，但受到宏觀測量工具的經典性質的限制。 西蘭帕希望透過將量子效應引入宏觀領域——或者，換句話說，讓經典物體迴歸其真實的量子自我——來研究量子引力。
量子技術的進步有時因其潛在的消費者利益而受到吹捧。 西蘭帕乾巴巴地說，新的進展雖然令人興奮，但“不是為了手機”。
鼓起糾纏
為了解釋量子糾纏，人們想出了比物理學中幾乎任何其他現象都多的類比。 美國國家標準與技術研究院的物理學家、第一篇論文的合著者什洛米·科特勒給出了一個簡單的定義：當物體的位置或動量比這些位置或動量的初始不確定性更精確地已知時，物體就會發生糾纏。 糾纏僅僅是物體之間的相關性——無論是電子還是微米級鋁鼓——這種相關性超過了僅透過經典關係可能實現的相關性。
為了實現糾纏，兩個團隊精心製作了微調的鋁鼓，將它們放置在晶體晶片上，將裝置超冷卻至接近絕對零度，然後用微波輻射脈衝同時擊打兩個鼓。
美國國家標準與技術研究院的物理學家、第一篇論文的合著者約翰·特費爾說：“這兩個鼓在機械上根本不相互對話。” “微波充當了它們相互對話的媒介。 而困難之處在於確保它們彼此強烈對話，而宇宙中的任何其他人都不會獲得關於它們的資訊。”
在微波的衝擊下，每個鼓都會振動，上下移動約一個質子的寬度。 這種微小的運動可以檢測為連線到鼓的電路中的電壓變化。
特費爾說：“使兩個原子的運動發生糾纏已經是一個困難而英勇的實驗。” 相比之下，每個鼓大約有一萬億個原子。 此外，單個粒子具有離散的量子態，例如自旋向上或向下，而鼓可以處於振幅或振動距離的連續分佈中，因為它們會擺動。
但是，如果鼓足夠靈敏，能夠從微波脈衝中糾纏出來，並且相對無噪聲，那麼它們的振幅將高度相關。 測量一個鼓的振幅會告訴你另一個鼓的振幅是多少。 例如，如果測量到一個鼓具有高振幅，則另一個鼓必須具有低振幅。
克萊克說：“你只需要一個非常非常好的測量信噪比。” “這可能是這些型別的系統中第一個實現這一目標的實驗。”
事實上，這個比率非常低，以至於可以透過簡單地繪製兩個鼓的位置之間的空間關係來看到糾纏的效果。 在那裡，在數千個數據點中，存在一種不可思議的相關性——證明兩個獨立鼓的經典現實是一個更深層次真理的陰影，在這個真理中，糾纏使它們成為一個單一的量子物體。
躲避海森堡
第二個團隊沒有反覆擊打鼓來多次糾纏它們，而是建立了一種持久的糾纏，這種方法更像是一個鼓聲而不是一次敲擊。 透過建立這種穩定狀態，研究人員能夠對相同的糾纏進行多次測量，目的是“規避”海森堡不確定性原理。
這個原理經常被錯誤地描述為指出任何測量，無論多麼小，都必須給物體一個踢力，從而引入不確定性。 克萊克說：“不確定性原理說，有些事情是你不能同時完美測量的。” “還有其他一些事情，你可以同時完美地測量它們。”
例如，對於物體的位置或動量，你可以精確到什麼程度是沒有限制的。 當你試圖同時測量兩者時，問題就來了。 反作用規避是一種繞過這種限制的方法，而實際上並沒有違反海森堡的指示。 西蘭帕和他的同事們沒有測量每個鼓的單獨位置和動量，而是基本上透過鼓對電路電壓的影響來測量鼓的動量的組合總和。
朱說：“沒有什麼違反海森堡不確定性原理。 你只是選擇了一組特定的問題，而你沒有詢問那些被禁止的事情。”
這兩個實驗所展示的精度的可能性令人著迷。 不難想象，類似的鼓有朝一日可以用於探測量子引力在桌面上的微小效應，或用作量子網路中繼的一部分。
但也許這項工作最吸引人的方面，超越任何應用，是它只是讓我們更接近世界的真實量子性質。 科特勒說：“你每天看到的只是一些陰影。” “但是，只要有正確的技術，你就可以看到糾纏就在那裡，隨時可以用於下一步。”