量子物理学，控制机械系统——打开新世界

唐唐

量子物理学，控制机械系统

图片：谐振器——qubit系统图解/《自然》

研究人员们利用量子装置对机械物体加以控制，从而将量子物理学令人费解的定律与有形的日常世界之间建立起联系。

到目前为止，观察到的量子物理行为仅限于原子和亚原子尺度，或大中型分子。目前它们被发现在一些碰撞和研磨中产生，可见程度无非是高中实验室显微镜的水平。

“以我们所处的宏观尺度而言，我们根本看不到量子效应，”加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的物理学家安德鲁·克莱兰德说。“实验的目的是，验证我们能否看到一个大型机械体之上的量子力学效应。”

该实验3月17日发布于《自然》杂志，由克莱兰德和UCSB同事、物理学家约翰·马丁尼斯及亚伦·奥·康奈尔主导，试验采用的机械体是一个0.0002毫米见方、由金属片包裹的石英晶片。该晶片是一个压电谐振器，以精准而极高的频率对电压作出反馈，进行放大和收缩。克莱兰德将其放大和收缩比喻为气球的膨胀和缩小。

实验用的量子装置是一个qubit，这个术语是指用于量子计算的一种量子晶体管，在本实验中由超薄铝合金超导体制成。在极低的温度下，它发生量子：它存在于一个振荡波形中，波形可能呈现激发态、未激态、或两者同时兼具，这都取决于电流的控制。

通过实验，研究人员不仅实现了一个长达20年的梦想——在微米级系统中控制量子运动，而且还“开启了”真正宏观机械装置的量子控制之门，”艾斯派梅尔写道。

为此，克莱兰德的研究小组将量子装置qubit与谐振器相连，然后把它们冷却到高于绝对零度——所有的原子运动几乎停止的温度点——零点几度。在这个温度下，qubit和谐振器中的原子的振动很小，小到足以防止它们干扰量子测量。

当研究人员为qubit发射一个电子脉冲时，所产生的量子被转移到谐振器中，谐振器相应产生波动。用异常敏锐的眼光观察，“你会看到它放大和收缩。你会看到它振动。这些都是量子振动，”克莱兰德说道。

在9月份发表于《自然》的一项研究中，克莱兰德的研究小组采用了两个qubit，加载所谓的量子纠缠：其中一个与另一个的振动彼此相连，即使物理距离遥远也如此。这项壮举旨在着重证明在一个大型可见系统中的量子特性，但特性本身仍然归属于电子学，量子效应在其中能够接受常规观察和控制。

从某种意义上说，这同样是以往的量子物理学。最新的结果发生在一个新的世界，一个量子物理学家们近20年来试图进入的世界。在研究结果的附注中，维也纳大学的物理学家马库斯·艾斯派梅尔描述了自己作为一个旁观物理学家，对于克莱兰德所讲述的实验设计的反应。“死寂——然后是雷鸣般的掌声，”他回忆道。

量子物理学的原理之一，由薛定谔猫理想实验阐明，是说测量行为将一个物体的波形叠加成一个单一的观察状态。为了解决这个难题，研究人员采用重复测量，准备好系统，然后数百万次测量其波形。

在一次实验中的某个精确时刻，谐振器可能同时处于其放大和收缩状态；一次单一测量迫使其“选择”处于何种状态。谐振器行为的量子特性来自于累计读数。“如果我们做的次数足够多，我们就能在每一点都分配一种可能状态，”克莱兰德说道。

按照艾斯派梅尔的说法，实验结果可以告知我们量子计算机存储设备的设计方式。克莱兰德还不能确定该系统的可靠程度足以担当此任，但他认为系统可以用来探索在更高尺度中量子物理学亚原子规则如何表现。

薛定谔猫实验可能不现实，因为猫本身就是一种测量装置，克莱兰德说。不过，有可能采用其他大型但无生命物体与量子装置相连接。

“如果你用一个音叉，让它足够冷，也许可以表现出量子力学，”他说。