納米級粒子“量子擠壓”首次實現

科技日報記者 張佳欣

據最新一期《科學》雜誌報道，日本東京大學研究團隊首次實現對納米級粒子的“量子擠壓”，即粒子運動的不確定性小於量子力學零點漲落。這一成果不僅為基礎物理研究開闢了新路徑，也有助推動未來高精度傳感、自動駕駛及無GPS信號導航等技術發展。

宏觀尺度的物理世界，從塵埃到行星，遵循的是牛頓在17世紀發現的經典力學定律。而微觀世界則遵循量子力學規律，其中一個重要特徵是“不確定性”。也就是説，測量的精度天生受到量子力學漲落的限制。例如，零點漲落就是被囚禁粒子在最低能量狀態下，其位置和速度仍會存在的量子力學漲落。所謂量子擠壓，是指通過特殊方法產生不確定性小於零點漲落的量子態。實現這種狀態不僅對準確理解自然世界至關重要，也有助於開發下一代可能受量子現象影響的技術。

雖然量子力學已在光子、原子等微觀粒子上得到充分驗證，但在納米尺度的大尺寸物體上仍存在未解之謎。研究人員表示，創造合適的實驗條件一直是巨大挑戰。

為此，團隊選擇了一種由玻璃製成的納米級粒子，將其懸浮於真空環境中，並冷卻至最低能量狀態，從而降低其不確定性。在確保囚禁勢場得到最佳調製後，他們釋放粒子並測量其速度，再通過重複實驗獲得粒子在該勢場下的速度分佈。結果顯示，當釋放時機最佳時，速度分佈比最低能量狀態下的不確定性更窄，證明實現了量子擠壓。

這一成果並非一蹴而就。團隊在多年探索中克服了諸多技術難題，包括粒子懸浮帶來的額外漲落以及實驗環境的微小擾動等。最終，他們找到了能夠穩定復現的條件，成功完成了量子擠壓的驗證。

這一懸浮納米級粒子體系對環境極為敏感，是研究量子與經典力學過渡現象的理想平台，也為未來新型量子器件的研發奠定了基礎。

總編輯圈點

這是量子操控領域的“一小步”，也是將量子力學從微觀粒子層面拓展到納米尺度的“一大步”。該技術為解決基礎科學難題和開發革命性技術提供了平台。譬如在導航領域，基於量子擠壓的高精度慣性導航系統，可擺脱對外部信號的依賴，大幅提升自動駕駛、深海探測和太空任務的定位精度與可靠性；在精密測量方面，其能顯著提高原子鐘、重力儀和磁場傳感器的靈敏度，推動基礎物理常數測量、暗物質搜索和早期宇宙研究；甚至在材料科學和生物醫學領域，也能為開發新型傳感器、單分子檢測技術和靶向藥物遞送系統提供技術支撐。