作者：杰夫·布鲁姆菲尔
一组科学家成功地将一个肉眼可见的足够大的物体置于运动和不运动的混合量子态。
加州大学圣巴巴拉分校的安德鲁·克莱兰和他的团队将一个微小的金属桨冷却至其量子力学“基态”——量子力学允许的最低能量状态。然后，他们利用量子力学的奇异规则，在保持桨静止的同时，使其同时运动。该实验表明，量子力学的原理不仅适用于原子尺度的粒子，也适用于日常物体。
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这项工作今天同时在线发表在《自然》杂志上，并在今天于俄勒冈州波特兰举行的美国物理学会会议上发表。
根据量子理论，粒子在非常小的尺度上表现为波，而不是点质量。这会产生许多奇异的后果：不可能知道粒子在空间中的确切位置和速度，但同一个粒子有可能同时做两件矛盾的事情。通过一种被称为“叠加”的现象，一个粒子可以同时移动和静止——至少在外部力量作用于它之前。然后，它会立即选择两个矛盾的位置之一。
但是，尽管量子力学的规则似乎适用于小尺度，但在大尺度上，没有人看到过它们的证据，在这些尺度上，外部影响更容易破坏脆弱的量子态。“迄今为止，没有人证明，如果你取一个很大的物体，其中有数万亿个原子，量子力学适用于它的运动，”克莱兰说。
没有明显的理由说明为什么量子力学的规则不应该适用于大型物体。量子力学之父之一埃尔温·薛定谔对大型尺度上出现量子怪异的可能性感到非常不安，以至于他提出了他著名的“薛定谔的猫”思想实验。一只猫被放置在一个装有氰化物小瓶和放射源的盒子中。如果放射源衰变，它会触发一个装置来打破小瓶，杀死猫。薛定谔认为，在盒子关闭期间，猫处于活和死的叠加状态——就他而言，这很荒谬。
奇妙的怪异
克莱兰和他的团队采取了更直接的方法来测量大尺度上的量子怪异。他们从一个微小的机械桨或“量子鼓”开始，它大约30微米长，当在特定频率范围内运动时会振动。接下来，他们将桨连接到一个遵守量子力学定律的超导电路。然后，他们将系统冷却到低于十分之一开尔文的温度。
在这个温度下，桨滑入其量子力学基态。利用量子电路，克莱兰和他的团队验证了桨没有任何振动能量。然后，他们利用电路给桨一个推动力，并看到它在非常特定的能量下摆动。
接下来，研究人员将量子电路置于“推”和“不推”的叠加状态，并将其连接到桨。通过一系列仔细的测量，他们能够证明桨同时在振动和不振动。
“这太棒了，”俄勒冈大学尤金分校的物理学家海林·王说，他一直在研究一种将振荡器置于基态的竞争技术。这项工作表明，量子力学的定律在大尺度上如预期一样成立。“这对物理学来说肯定是好事，”王说。
因此，如果数万亿个原子可以被置于量子态，为什么我们看不到双层巴士同时停止和行驶？克莱兰说，他认为尺寸确实重要：物体越大，外部力量就越容易破坏其量子态。
“环境是一个巨大而复杂的东西，”克莱兰说。“正是与这个难以置信的复杂系统的相互作用使得量子相干性消失。”
不过，他说，仍然有很多理由继续尝试将大型物体置于量子态。大型量子态可以告诉研究人员更多关于量子力学和引力之间关系的信息——这是一个尚未被很好理解的领域。量子谐振器可能也很有用，尽管克莱兰承认他并不完全确定是什么用途。“可能有一些有趣的应用，”他说。“但坦率地说，我现在没有想到。”