自從量子力學(xué)提出以來，一百多年多來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)并不僅僅是微觀世界的確適用的，而在宏觀尺度上量子力學(xué)同樣也是適用的。比如，早在2013年，美國物理學(xué)家制作了一個(gè)0.02英寸（約合0.5毫米）大小的小鼓。他們利用激光對小鼓進(jìn)行操縱，在宏觀尺度上驗(yàn)證了量子力學(xué)中的“不確定原理”，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在《Science》上。再如，2020年，麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室的研究人員，第一次測量了量子波動在人類尺度上對物體的宏觀影響，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Nature上。眾所周知，宏觀尺度上的量子力學(xué)測試要求，對力學(xué)運(yùn)動及其退相干，需進(jìn)行極端控制。人們通過設(shè)計(jì)諧振腔內(nèi)的微機(jī)械振蕩器與電磁場之間的輻射壓力耦合，實(shí)現(xiàn)了對力學(xué)運(yùn)動的量子控制。此外，基于測量的反饋控制依賴于腔增強(qiáng)探測方案，已廣泛用于冷卻微機(jī)械振蕩器到他們的量子基態(tài)。與力學(xué)固定系系統(tǒng)相比，光懸浮納米粒子，尤其有希望用于大質(zhì)量物體的物質(zhì)波實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兊牟东@潛力是完全可控的。在此，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Lukas Novotny等研究者，在低溫自由空間光學(xué)懸浮了一個(gè)飛克(10-15克)的介電粒子，這足以抑制熱效應(yīng)，使測量反向作用成為主要的退相干機(jī)制。相關(guān)論文以題為“Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space”于2021年07月14日發(fā)表在Nature上。研究宏觀量子效應(yīng)的先決條件是，將粒子制備為量子力學(xué)純態(tài)，如運(yùn)動基態(tài)。此外，必須排除其他的退相干源，如與氣體分子的碰撞和黑體光子的反沖。因此，低溫環(huán)境將是特別有利的，同時(shí)提供所需的極高真空和足夠低的熱居數(shù)的電磁連續(xù)體。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，然而令人驚訝的是，光學(xué)懸浮還沒有在低溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。眾多研究表明，力學(xué)運(yùn)動的基態(tài)冷卻不增強(qiáng)與光諧振器的相互作用是可能的，有足夠高的探測效率。因此，這樣的無腔光學(xué)系統(tǒng)，將不受光學(xué)諧振器帶寬、穩(wěn)定性和模式匹配方面的限制。在此，在低溫環(huán)境中光學(xué)懸浮一個(gè)納米粒子，這使得由于氣體碰撞產(chǎn)生的退相干可以忽略不計(jì)，允許反饋冷卻粒子的運(yùn)動到量子基態(tài)。研究者的反饋控制依賴于粒子位置的無腔光學(xué)測量，它接近海森堡關(guān)系的最小值，在兩倍以內(nèi)。通過有效的量子測量，研究者對粒子的動力學(xué)進(jìn)行量子控制。通過基于測量的反饋，將其質(zhì)心運(yùn)動冷卻為平均占據(jù)0.65個(gè)運(yùn)動量子，對應(yīng)的狀態(tài)純度為0.43。光學(xué)諧振器的缺乏及其帶寬限制，使人們有望將電磁場的全部量子控制轉(zhuǎn)移到力學(xué)系統(tǒng)中。該實(shí)驗(yàn)平臺為研究宏觀尺度下的量子力學(xué)提供了一條途徑。
圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置
圖2. 通過外環(huán)測量的量子基態(tài)驗(yàn)證
圖3. 反饋系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)分析無獨(dú)有偶，在同期的Nature上，來自于奧地利維也納大學(xué)的Lorenzo Magrini & Markus Aspelmeyer等研究者，也得到了類似的研究成果，但他們采用的方式是不一樣的。他們演示了光學(xué)捕獲納米粒子量子軌跡的實(shí)時(shí)最優(yōu)控制。研究者將接近海森堡極限的共焦位置傳感與卡爾曼濾波的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)相結(jié)合，在位置不確定性為零點(diǎn)波動1.3倍的情況下，實(shí)時(shí)跟蹤粒子在相空間中的運(yùn)動。優(yōu)化反饋使量子諧振子穩(wěn)定在平均占用0.56±0.02個(gè)量子，實(shí)現(xiàn)了室溫下的量子基態(tài)冷卻。相關(guān)論文以題為“Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature”于2021年07月14日發(fā)表在Nature上。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
圖2 卡爾曼濾波與驗(yàn)證
圖3 量子最優(yōu)控制所謂“條條大路通羅馬”，兩組科研人員不同的研究方式，獲得了相似的研究成果，他們彼此成就，相互佐證，相互彌補(bǔ)，他們的關(guān)系，像極了“愛情”……綜上，第二個(gè)工作建立了量子卡爾曼濾波作為一種方法來實(shí)現(xiàn)力學(xué)運(yùn)動的量子控制，對所有尺度的感知都有潛在的影響。與此同時(shí)，結(jié)合第一個(gè)工作的“懸浮”，這為全面控制固態(tài)宏觀量子物體，在線性和非線性系統(tǒng)中的波包動力學(xué)鋪平了道路。參考文獻(xiàn)Tebbenjohanns, F., Mattana, M.L., Rossi, M. et al. Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space. Nature595, 378–382 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03617-wMagrini, L., Rosenzweig, P., Bach, C. et al. Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature. Nature595, 373–377 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03602-3原文鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3https://www.nature.com/articles/s41586-021-03602-3#citeas
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