开创性的“黑暗”纳米粒子实验将揭开宏观量子世界的奥秘

纳米级的玻璃珠在通过静电力或磁力产生的电位中演化，进入宏观量子叠加态。图片来源：Helene Hainzer

制造纳米级的玻璃珠在宏观尺度上表现出量子效应。

普通世界和量子领域之间的区别仍然模棱两可。随着物体尺寸的增加，当它通过将其运动冷却到绝对零度而经历量子变换时，它的定位会加剧。

由奥地利科学院（ÖAW）量子光学和量子信息研究所（IQOQI）和因斯布鲁克大学理论物理系的Oriol Romero-Isart领导的研究人员提出了一项实验，其中光学悬浮的纳米粒子冷却到其基态，在静电或磁力产生的非光学（“暗”）电位中演化。预计暗势的这种演化将快速可靠地产生宏观量子叠加态。

克服量子实验中的挑战

激光可以将纳米级的玻璃球冷却到其运动基态。如果放任不管，受到空气分子的轰击和散射入射光的轰击，这种玻璃球会迅速升温并离开量子状态，从而限制了量子控制。为了避免这种情况，研究人员建议让球体在黑暗中演化，关闭光线，仅由不均匀的静电力或磁力引导。这种演化不仅足够快，可以防止杂散气体分子加热，而且还解除了极端的局部化，并明确地印上了量子特征。

应对实际挑战和未来展望

最近发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的论文还讨论了该提案如何规避此类实验的实际挑战。这些挑战包括需要快速的实验运行，最少地使用激光以避免退相干，以及能够快速重复使用相同的粒子进行实验运行。这些考虑因素对于减轻低频噪声和其他系统误差的影响至关重要。

该提案已与Q-Xtreme的实验合作伙伴进行了广泛讨论，Q-Xtreme是由欧盟资助的ERC Synergy Grant项目。“拟议的方法与他们实验室的当前发展一致，他们应该很快就能够在经典制度下用热粒子测试我们的协议，这对于测量和最小化激光关闭时的噪声源非常有用，”Oriol Romero-Isart的理论团队说。“我们相信，虽然最终的量子实验将不可避免地具有挑战性，但它应该是可行的，因为它满足了准备这些宏观量子叠加态的所有必要标准。