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俄勒冈州波特兰市——一个分子拍手的声音是怎样的？研究人员演示了一种可以拾取机械振动单量子（类似于化学反应期间分子震动的单量子）的设备，并表明该设备本身（宽度与头发相当）的行为仿佛同时存在于两个位置——一种“量子怪异”的壮举，到目前为止仅在分子尺度上观察到。
新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论家 Wojciech Zurek 表示：“这是一个里程碑。它证实了我们许多人所相信的，但有些人仍然抵制——我们的宇宙‘核心是量子的’。”
物理学家早就知道，根据量子力学定律，原子尺度或更小的物体可以同时存在于多个状态。例如，一个电子可以沿着多条不同的路径移动，或者一个原子可以同时放置在两个不同的位置。这种所谓的态叠加原则上也应该适用于更大的物体，就像一个众所周知的思想实验，其中一只猫同时处于死亡和活着的状态。近年来，各种团队已经表明，这种怪异现象确实发生在像分子一样大的物体中，也发生在真正的宏观系统中，例如超导体中的电流。
在新的实验中，加州大学圣巴巴拉分校的研究生 Aaron O'Connell 和他的同事们首次表明，更大的物体也可以同时处于两个位置。O'Connell 说：“它告诉我们，量子力学适用于空间中的宏观物体。”他在美国物理学会的一次会议上展示了这些结果。该结果也于周三在《自然》杂志上在线发表。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
该团队使用计算机芯片制造技术制造了一个机械谐振器——类似于一个小的音叉。该装置是一块压电材料（一种在电场存在下会膨胀或收缩，并在受到应力时产生电场的材料），夹在两层铝之间，铝充当电极。它厚 1 微米，长 40 微米，刚好“肉眼可见”，O'Connell 说。
谐振器的电极连接到基于超导电路的电子读出装置，整个装置保持在真空中，并冷却到绝对零度以上 2 万分之一度。但是电子电路也可以用来向电极施加电压，这样该团队就可以随意地使谐振器膨胀和收缩。这种运动发生在 6 千兆赫或每秒 60 亿个周期的特征或共振频率下。（音叉也有一个共振频率——在千赫兹的数量级上——但在那种情况下，共振振动模式是横向振动而不是膨胀和收缩。）
该团队的第一个结果表明，在如此寒冷的温度下，谐振器振动的宽度或幅度变得量子化——换句话说，存在少量的振动能量，称为声子，低于这个值谐振器基本上静止不动。离散的能量包的存在是量子行为的标志，而声子是光子的机械等效物——它们是振动的最终不可分割的量子，无论是热振动还是声振动。
接下来，该团队将超导电路置于两种状态的叠加态，一种有电流，另一种没有电流。相应地，谐振器处于振动和不振动的叠加态。这些量子态持续了大约 6 纳秒——与该团队预期的持续时间大致相同——然后消失了。
在振动状态下，谐振器中的每个原子只移动一个极小的距离——小于原子本身的大小。因此，在状态叠加中，谐振器从来没有真正处于两个完全不同的位置。但是，实验仍然表明，一个大型物体（谐振器由大约 10 万亿个原子组成）可以表现出与单个原子一样多的量子怪异现象。“是的，量子力学仍然有效，”加州大学圣巴巴拉分校的 Andrew Cleland 说，他是 O'Connell 的合著者和顾问。至于我们观察到的日常物体的现实，例如家具和水果，是如何从如此不同且奇异的量子世界中产生的，这仍然是一个谜。
除了理论上的意义外，该设备还可以应用于研究自然界中发生的声子，因为可以通过电子电路检测到扰动谐振器的声子——它本质上是一个量子麦克风。“这是一种非常灵敏的声振动探测器，”Cleland 说。原则上，甚至可以将分子放置在谐振器上并“听到它们”相互作用，无论是化学还是其他方式。