《科学》2010年十大科学进展：第一台量子机

伤我心太深

一个只有利用量子力学对其运动方式作出描述的人造物体，可能有助于我们检验宏观概念

也许它在便利性上无法与Model T型车相提并论，但在概念性上，这台于今年公布于众的小机器却把福特公司生产的那辆名车远远抛在了身后，甚至于超越了所有前人发明的机器。直至今天，所有的机器还是按照见惯不怪的经典力学定律运作，这些定律控制了所有寻常物体的运动。相比之下，我们这台堪称突破的新机器却受制于一般在分子、原子和亚原子微粒世界兴风作浪的量子力学，只有用这种奇异的机制才能解释它的运作机理。这台量子机器原型打开了通向无数试验性装置和人类现实感测试的大门，它的潜力和精巧程度使其当之无愧于年度突破。

多亏了有了量子力学的帮助，人类才意识到极小王国看起来与我们平素的世界毫无相像之处。量子理论决定了每个微小物体只能吸收不连续的能量，且不能保持完美的静止，甚至能同时出现在两个地方。科学家们利用原子、分子、亚原子微粒乃至液氮完成过无数实验，他们在实验中观测到了上述的量子效应以及其他更为怪异的现象。但还没有研究者在人造物体的运动中目睹过此类效应。

物理学家并非没有尝试过。研究者们制造了几纳米宽几微米长的微型半导体光束，这种被称为“振荡器”的光束会像吉他弦一样以设定频率振动，根据量子理论，它只能吸收或发射量子态的能量，量子的尺度与光束的频率成正比。为了目睹这种效应，物理学家首先需要吸出每一个可能的量子，让光束处于能量最小的“基态”。然而，即便如此，光束还是无法保持完全静止，因为量子的不确定性要求光束保持在无法弥补的半量子能量，并以不可抑制的“零点运动（zero-point motion）”进行跃动。

为了实现真正的基态，物理学家不得不将光束冷却到接近绝对零度，他们还要通过使光束保持静止来增大其频率，让量子尺度变得尽可能大。但这种做法同时也降低了运动的振幅，使运动更难被探测到。因此，有多个研究小组正在利用激光或微波冷却光束并探测它的运动，结果在理想状态的几个量子中观察到了量子效应。

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起点：科学家们利用这种振荡设备获得了最简单的运动量子态，该设备的长度只有一根头发宽。

一个由美国物理学家组成的研究小组在今年三月份报告说，他们发现了一种更为便捷的量子态观测途径。研究者们利用一块镀铝的氮化铝微小跳板代替了光束，跳板上的铝层通过变薄和变厚来进行振动。当这个小装置以每秒60亿周的高频速度振荡时，它表面的“压电”材料会产生一个很容易被检测到的振动电场。最重要的是，物理学家们可以通过这个电场设法将力学装置“偶联”到一个被称为“相位量子位”的电子设备上，该设备是一个超导体圆环，其本身具有一个低能和一个高能的量子态。

利用微波操纵量子位，研究者们可以将能量量子输入振荡器或从中输出能量量子，就像储户可以使用ATM机往银行账户存20美元，也可以取出20美元一样。首先，他们展示了当振荡器被冷却到绝对温度的百分之几度时，他们无法从中获得任何量子。这意味着振子处于兑现基态，只以零点运动状态轻微摆动。随后，研究人员又将振荡器置于刚好是一个量子能量的状态。他们甚至可以让振荡器同时处于两种状态，于是同时获得两种不同的运动量。

这套方案的独创性在于振荡器的设计和利用量子位对其实施控制。实际上，该研究小组在2009年就利用相量子位将量子送入超导金属长条，长条与微波发生共振，就如同管式手风琴与声波发生共振一样。实验成功以后，他们尝试使用巧妙的力学振荡器去取代微波谐振腔。这种创举足以让物理学家们大拍脑门，哀叹自己早没有想到这样的办法。这套装置到底有什么用呢？从基础研究的角度来看，简单量子机或许能够被用来制造极其灵敏的力感应器，或用于产生光的量子态。更重要的是，它们有助于测定量子理论和我们日常感知的边界。为什么一辆汽车或一个人无法同时出现在两个些许不同的地方？有什么原理阻止了这种情况的方法呢？要找出这些问题的答案就必须尝试将更大的物体置于量子态中。

要获得这种量子力学试验的成功，我们还有很长的路要走。但有一些研究小组已经在朝着对宏观物体的运动进行量子控制的目标迈进了。实际上，待今后五年的改造完毕以后，位于路易斯安那利文斯顿（Livingston）和华盛顿汉福德（Hanford）的激光干涉引力波观测台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）会将两块重达40公斤的镜片利用激光冷却到运动基态，这使得物理学家们有机会实施宏观大尺度的量子试验。

但首先，物理学家们必须获取力学对象的运动量子态。2010年，他们终于做到了。