物理学家使人类大小物体达到量子态

研究人员用激光干涉引力波天文台的先进设备，将组合镜运动冷却至近量子基态。

在肉眼看来，大多数“静态”物体都是完全静止的。实际上，如果我们用量子透镜观测，放在桌子上的苹果，看起来就是一堆非常活跃的振动粒子。在过去的几十年中，物理学家们已经找到了超冷却物体的方法，使它们的原子处于接近静止的状态（“运动基态”）。目前，物理学家能将原子云和纳米物体转变为这种纯量子态。

现在，美国麻省理工学院（MIT）领导的团队首次将人体大小的物体冷却至接近运动基态。从一个位置来看，目标物体并不是有形的，而是四个独立物体（大约40公斤）的组合运动。研究人员借助激光干涉引力波天文台（LIGO），以极高精度测量了物质运动，并将其集体运动冷却至77纳开尔文，仅略高于预测基态的温度（10纳开尔文）。研究人员表示，该成果让人类有机会观察引力对巨大量子物体的影响。当地时间6月18日，相关研究成果刊登在《科学》杂志中。MIT机械工程助理教授Vivishek Sudhir说：“还没有人观察过引力对大规模量子态的作用。我们演示了使千克级物体处于量子状态的方法。这为引力-量子学的实验研究奠定了基础。”

研究人员指出，由于原子之间的相互作用和外部影响，任何物体中都存在某种形式的运动，并且这些随机运动都由物体温度所反映。即使物体被冷却至接近绝对零度，仍然会残留量子运动。为了终止物体运动，可以向它施加一个大小相等、方向相反的抵消力。如果科学家能够精确测定原子运动的速率和方向，就可以应用抵消力来降低它的温度——这就是反馈冷却技术。“物体有温度的事实反映了它与周围物体相互作用的趋势。我们很难将大尺寸物体与周围事物完全隔离开来。”Sudhir说。

为了将大型物体的原子冷却至近基态，科学家首先必须高精度地测量它们的运动，以确定终止运动所需的抵消力。LIGO创造了这样的机会。Sudhir说：“事实证明，我们可以用数学方法绘制出四块镜子的组合运动，将其简化成10千克的单个物体的运动。在测量原子运动和其他量子效应时，测量的行为可随机击打镜子并使其产生运动，引发'测量反作用’量子效应。如果在LIGO中连续测量这些镜子，后续光子携带的信息就能够反映过去光子产生的随机反冲。”

在每个镜子上都完成了量子和经典扰动的完整记录后，研究人员在每个镜子的背面设置了一块能够施加抵消力的电磁体。电磁力将集体运动平衡至近完全静止状态。研究人员Chris Whittle表示：“完成基态准备，是发现奇异量子态的第一步。在未来，我们或许能对其他量子态展开大规模研究。”

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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://phys.org/news/2021-06-physicists-human-scale-standstill-quantum-state.html

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