量子力学更令人恼火的结果之一是揭示了现实在很大程度上是一种持续的幻觉。量子力学不仅仅是一种微观理论：所有物质从根本上都是量子的——只是碰巧奇怪的量子效应很难在大于几个原子的任何东西中观察到。 就像柏拉图的洞穴寓言中墙壁上闪烁的剪影一样，宏观的、所谓的“经典”物体的存在仅仅是它们真实量子形式投下的阴影。 对于物理学家来说，这已经不是新闻了，他们在一个多世纪以来一直在量子世界中摸索，并且大多对现实的崩溃大厦感到坦然。
周四发表在《科学》杂志上的两篇新论文突破了物理学家可以在宏观尺度上实现的量子效应的界限。 两项研究都观察到了薄铝“鼓”中的这种效应，这些鼓的大小与红细胞大致相同。 在第一项研究中，美国和以色列的研究人员直接且可靠地测量了鼓之间的量子纠缠。 而第二项研究由芬兰团队领导，在测量纠缠鼓的同时避免了“反作用”，即与试图测量物体的位置和动量的行为相关的不可避免的噪声。
在经典世界中，这种测量的精度在理论上没有限制。 但德国物理学家维尔纳·海森堡在 1920 年代提出的不确定性原理指出，对于鼓等物体的位置和动量，其已知程度存在根本限制。 芝加哥大学的凝聚态物理学家阿希什·克莱克说：“这两篇论文中描述的技巧是规避你可能认为是对来自海森堡不确定性原理的力进行测量的限制的方法，”他没有参与这两项研究。
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纠缠和反作用规避都曾在宏观系统中观察到，但方式不同，而且可以说更有限。 2018 年，另一组研究人员使两条硅条发生纠缠。 其他实验甚至使钻石中的振动发生纠缠。 然而，最近的《科学》论文中两个团队展示的技巧使他们能够在观察量子效应时减少许多限制。
苏黎世联邦理工学院的量子研究员易文·朱说：“我们在这里没有发现关于量子力学的任何新事物，”他没有参与这两项研究。 但她表示，获得这些测量结果仍然需要“非常令人印象深刻的技术进步”。
这项神秘的研究领域有一个简单的总体目标：“让大的东西进入量子态”，克莱克说。 应用范围从量子计算机到需要亚原子精度的物理学问题，例如暗物质或引力波的探测。
一些研究人员，例如芬兰阿尔托大学的物理学家、第二篇论文的合著者米卡·西兰帕，希望测量灵敏的量子效应，但受到宏观测量工具的经典性质的限制。 西兰帕希望通过将量子效应引入宏观领域——或者，换句话说，让经典物体回归其真实的量子自我——来研究量子引力。
量子技术的进步有时因其潜在的消费者利益而受到吹捧。 西兰帕干巴巴地说，新的进展虽然令人兴奋，但“不是为了手机”。
鼓起纠缠
为了解释量子纠缠，人们想出了比物理学中几乎任何其他现象都多的类比。 美国国家标准与技术研究院的物理学家、第一篇论文的合著者什洛米·科特勒给出了一个简单的定义：当物体的位置或动量比这些位置或动量的初始不确定性更精确地已知时，物体就会发生纠缠。 纠缠仅仅是物体之间的相关性——无论是电子还是微米级铝鼓——这种相关性超过了仅通过经典关系可能实现的相关性。
为了实现纠缠，两个团队精心制作了微调的铝鼓，将它们放置在晶体芯片上，将装置超冷却至接近绝对零度，然后用微波辐射脉冲同时击打两个鼓。
美国国家标准与技术研究院的物理学家、第一篇论文的合著者约翰·特费尔说：“这两个鼓在机械上根本不相互对话。” “微波充当了它们相互对话的媒介。 而困难之处在于确保它们彼此强烈对话，而宇宙中的任何其他人都不会获得关于它们的信息。”
在微波的冲击下，每个鼓都会振动，上下移动约一个质子的宽度。 这种微小的运动可以检测为连接到鼓的电路中的电压变化。
特费尔说：“使两个原子的运动发生纠缠已经是一个困难而英勇的实验。” 相比之下，每个鼓大约有一万亿个原子。 此外，单个粒子具有离散的量子态，例如自旋向上或向下，而鼓可以处于振幅或振动距离的连续分布中，因为它们会摆动。
但是，如果鼓足够灵敏，能够从微波脉冲中纠缠出来，并且相对无噪声，那么它们的振幅将高度相关。 测量一个鼓的振幅会告诉你另一个鼓的振幅是多少。 例如，如果测量到一个鼓具有高振幅，则另一个鼓必须具有低振幅。
克莱克说：“你只需要一个非常非常好的测量信噪比。” “这可能是这些类型的系统中第一个实现这一目标的实验。”
事实上，这个比率非常低，以至于可以通过简单地绘制两个鼓的位置之间的空间关系来看到纠缠的效果。 在那里，在数千个数据点中，存在一种不可思议的相关性——证明两个独立鼓的经典现实是一个更深层次真理的阴影，在这个真理中，纠缠使它们成为一个单一的量子物体。
躲避海森堡
第二个团队没有反复击打鼓来多次纠缠它们，而是创建了一种持久的纠缠，这种方法更像是一个鼓声而不是一次敲击。 通过创建这种稳定状态，研究人员能够对相同的纠缠进行多次测量，目的是“规避”海森堡不确定性原理。
这个原理经常被错误地描述为指出任何测量，无论多么小，都必须给物体一个踢力，从而引入不确定性。 克莱克说：“不确定性原理说，有些事情是你不能同时完美测量的。” “还有其他一些事情，你可以同时完美地测量它们。”
例如，对于物体的位置或动量，你可以精确到什么程度是没有限制的。 当你试图同时测量两者时，问题就来了。 反作用规避是一种绕过这种限制的方法，而实际上并没有违反海森堡的指示。 西兰帕和他的同事们没有测量每个鼓的单独位置和动量，而是基本上通过鼓对电路电压的影响来测量鼓的动量的组合总和。
朱说：“没有什么违反海森堡不确定性原理。 你只是选择了一组特定的问题，而你没有询问那些被禁止的事情。”
这两个实验所展示的精度的可能性令人着迷。 不难想象，类似的鼓有朝一日可以用于探测量子引力在桌面上的微小效应，或用作量子网络中继的一部分。
但也许这项工作最吸引人的方面，超越任何应用，是它只是让我们更接近世界的真实量子性质。 科特勒说：“你每天看到的只是一些阴影。” “但是，只要有正确的技术，你就可以看到纠缠就在那里，随时可以用于下一步。”