發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上的一篇開(kāi)創(chuàng)性論文，題為《室溫下高純度量子光力學(xué)》（High-purity quantum optomechanics at room temperature），標(biāo)志著量子物理學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。它首次在室溫環(huán)境下，成功地將一個(gè)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子構(gòu)成的宏觀物體——一個(gè)納米粒子——冷卻到了其運(yùn)動(dòng)的量子基態(tài)，并且達(dá)到了前所未有的高純度。這項(xiàng)研究不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)宏觀世界和量子世界的認(rèn)知界限，也為在日常環(huán)境中實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用鋪平了道路。

背景與挑戰(zhàn)：為何“室溫”如此重要？

在經(jīng)典物理學(xué)中，物體的運(yùn)動(dòng)和行為可以用牛頓定律來(lái)精確描述。然而，在微觀世界中，量子力學(xué)主宰一切。量子力學(xué)的一個(gè)核心特征是量子態(tài)，它描述了粒子在特定時(shí)刻的所有可能狀態(tài)。要讓宏觀物體展現(xiàn)出量子行為，如疊加態(tài)或量子糾纏，通常需要將其與外界環(huán)境的熱噪聲隔離開(kāi)來(lái)。

熱運(yùn)動(dòng)是所有宏觀物體內(nèi)部原子和分子無(wú)序振動(dòng)的結(jié)果，其產(chǎn)生的巨大噪聲會(huì)迅速破壞任何脆弱的量子態(tài)。因此，此前的量子實(shí)驗(yàn)幾乎都需要在接近絕對(duì)零度（-273.15°C）的超低溫環(huán)境下進(jìn)行，以“凍結(jié)”熱運(yùn)動(dòng)。這種極端的實(shí)驗(yàn)條件不僅成本高昂、設(shè)備復(fù)雜，而且極大地限制了量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，使其無(wú)法走出實(shí)驗(yàn)室。

這篇論文的核心挑戰(zhàn)在于：如何在不依賴傳統(tǒng)低溫制冷的情況下，有效地消除物體的熱運(yùn)動(dòng)，使其進(jìn)入高純度的量子基態(tài)？

核心技術(shù)與創(chuàng)新：光的“量子冰箱”

為了解決這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地結(jié)合了多種先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造了一個(gè)能在室溫下工作的“量子冰箱”：

1.光懸浮技術(shù)：研究人員首先將一個(gè)尺寸僅為數(shù)百納米的二氧化硅球體，利用一束聚焦的激光束懸浮在超高真空環(huán)境中。這種方法至關(guān)重要，因?yàn)樗耆思{米粒子與固體表面的接觸，從而最大限度地隔絕了熱傳導(dǎo)，這是熱噪聲的主要來(lái)源。納米粒子在真空中幾乎可以看作是一個(gè)“孤立”的系統(tǒng)。

2.腔光力學(xué)冷卻：這是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的核心技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)將懸浮的納米粒子置于一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的光學(xué)腔內(nèi)。這個(gè)光學(xué)腔由兩面高反射率的鏡子組成，能夠讓激光在其中多次反射。當(dāng)一束激光射入腔內(nèi)時(shí)，它不僅會(huì)產(chǎn)生駐波，還會(huì)與納米粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)振蕩模式相互作用。

• 邊帶冷卻：研究人員利用了所謂的“邊帶冷卻”機(jī)制。當(dāng)激光的頻率被精確調(diào)諧到比光學(xué)腔的共振頻率略低時(shí)，激光光子與納米粒子轉(zhuǎn)動(dòng)模式的相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)鍵效應(yīng)：每次納米粒子吸收一個(gè)激光光子，其振蕩能量就會(huì)增加一個(gè)單位；而當(dāng)它通過(guò)受激散射釋放一個(gè)光子時(shí)，這個(gè)光子所攜帶的能量會(huì)比吸收的光子多出一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)振蕩的能量單位。通過(guò)這種方式，激光光子就像一個(gè)能量搬運(yùn)工，源源不斷地從納米粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中帶走能量，從而有效地將其冷卻下來(lái)。

3.高純度量子態(tài)：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的冷卻，納米粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)模式被降到了一個(gè)極低的能量狀態(tài)。研究人員通過(guò)量子基態(tài)聲子數(shù)來(lái)衡量冷卻的純度。他們測(cè)量得到，該模式的平均聲子數(shù)僅為n≈0.04。這0.04的聲子數(shù)意味著，納米粒子有高達(dá)92%的概率處于其運(yùn)動(dòng)的量子基態(tài)，即其振蕩能量達(dá)到了量子力學(xué)所允許的最低能量。值得一提的是，這個(gè)純度甚至超過(guò)了之前在極低溫下達(dá)到的最高記錄。

科學(xué)與技術(shù)意義

這項(xiàng)研究的成功并非僅僅是技術(shù)的炫技，它為物理學(xué)和工程學(xué)帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響：

• 宏觀量子效應(yīng)的探索：該研究提供了一個(gè)在室溫下探索宏觀物體量子行為的全新平臺(tái)。我們可以將量子力學(xué)的尺度推向更宏觀的物體，探究在一個(gè)由數(shù)億個(gè)原子組成的物體中，是否存在量子引力效應(yīng)，或者波函數(shù)坍縮的物理機(jī)制。這有助于我們更深刻地理解宏觀世界和微觀世界之間的鴻溝。
• 高靈敏度量子傳感：高純度的量子態(tài)是制造超高靈敏度傳感器的理想基礎(chǔ)。利用這種被冷卻到量子基態(tài)的納米粒子，我們可以開(kāi)發(fā)出能夠探測(cè)極其微弱外力、加速度或引力梯度的量子傳感器。這些傳感器在導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像（如MRI）以及引力波探測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
• 室溫量子技術(shù)的曙光：最令人興奮的是，這項(xiàng)工作證明了在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)量子態(tài)控制是可行的。它打破了“量子技術(shù)必須依賴昂貴且龐大的低溫設(shè)備”的固有觀念，為開(kāi)發(fā)更小巧、更便攜、更廉價(jià)的量子設(shè)備鋪平了道路。這就像從笨重的計(jì)算機(jī)時(shí)代邁向個(gè)人電腦時(shí)代，預(yù)示著量子技術(shù)未來(lái)可能像我們今天的智能手機(jī)一樣普及。