作者：傑夫·布魯姆菲爾
一組科學家成功地將一個肉眼可見的足夠大的物體置於運動和不運動的混合量子態。
加州大學聖巴巴拉分校的安德魯·克萊蘭和他的團隊將一個微小的金屬槳冷卻至其量子力學“基態”——量子力學允許的最低能量狀態。然後，他們利用量子力學的奇異規則，在保持槳靜止的同時，使其同時運動。該實驗表明，量子力學的原理不僅適用於原子尺度的粒子，也適用於日常物體。
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這項工作今天同時線上發表在《自然》雜誌上，並在今天於俄勒岡州波特蘭舉行的美國物理學會會議上發表。
根據量子理論，粒子在非常小的尺度上表現為波，而不是點質量。這會產生許多奇異的後果：不可能知道粒子在空間中的確切位置和速度，但同一個粒子有可能同時做兩件矛盾的事情。透過一種被稱為“疊加”的現象，一個粒子可以同時移動和靜止——至少在外部力量作用於它之前。然後，它會立即選擇兩個矛盾的位置之一。
但是，儘管量子力學的規則似乎適用於小尺度，但在大尺度上，沒有人看到過它們的證據，在這些尺度上，外部影響更容易破壞脆弱的量子態。“迄今為止，沒有人證明，如果你取一個很大的物體，其中有數萬億個原子，量子力學適用於它的運動，”克萊蘭說。
沒有明顯的理由說明為什麼量子力學的規則不應該適用於大型物體。量子力學之父之一埃爾溫·薛定諤對大型尺度上出現量子怪異的可能性感到非常不安，以至於他提出了他著名的“薛定諤的貓”思想實驗。一隻貓被放置在一個裝有氰化物小瓶和放射源的盒子中。如果放射源衰變，它會觸發一個裝置來打破小瓶，殺死貓。薛定諤認為，在盒子關閉期間，貓處於活和死的疊加狀態——就他而言，這很荒謬。
奇妙的怪異
克萊蘭和他的團隊採取了更直接的方法來測量大尺度上的量子怪異。他們從一個微小的機械槳或“量子鼓”開始，它大約30微米長，當在特定頻率範圍內運動時會振動。接下來，他們將槳連線到一個遵守量子力學定律的超導電路。然後，他們將系統冷卻到低於十分之一開爾文的溫度。
在這個溫度下，槳滑入其量子力學基態。利用量子電路，克萊蘭和他的團隊驗證了槳沒有任何振動能量。然後，他們利用電路給槳一個推動力，並看到它在非常特定的能量下襬動。
接下來，研究人員將量子電路置於“推”和“不推”的疊加狀態，並將其連線到槳。透過一系列仔細的測量，他們能夠證明槳同時在振動和不振動。
“這太棒了，”俄勒岡大學尤金分校的物理學家海林·王說，他一直在研究一種將振盪器置於基態的競爭技術。這項工作表明，量子力學的定律在大尺度上如預期一樣成立。“這對物理學來說肯定是好事，”王說。
因此，如果數萬億個原子可以被置於量子態，為什麼我們看不到雙層巴士同時停止和行駛？克萊蘭說，他認為尺寸確實重要：物體越大，外部力量就越容易破壞其量子態。
“環境是一個巨大而複雜的東西，”克萊蘭說。“正是與這個難以置信的複雜系統的相互作用使得量子相干性消失。”
不過，他說，仍然有很多理由繼續嘗試將大型物體置於量子態。大型量子態可以告訴研究人員更多關於量子力學和引力之間關係的資訊——這是一個尚未被很好理解的領域。量子諧振器可能也很有用，儘管克萊蘭承認他並不完全確定是什麼用途。“可能有一些有趣的應用，”他說。“但坦率地說，我現在沒有想到。”