陈根：科学家首次、直接观察到宏观量子纠缠

文/陈根

“量子纠缠”，是一种只发生在量子系统中的神奇现象。两个纠缠后的量子，即使相隔数光年的遥远距离，彼此也可以在瞬间相互影响，这种相互影响的速度超越了光速，打破了时间和空间的限制。

量子力学掌控着从基本粒子到宏观物体的运动规律，但对于宏观物体的运动而言，这种掌控往往不太明显。在众多因素的干扰下，量子效应对经典物理造成的偏差变得几乎不可见。因此，确认、测量宏观物体的量子效应，对于探究量子世界极为重要。

近日，科学家们实现了两项量子研究的突破，其中一项研究找到了宏观物体量子纠缠的直接证据；另一项则在一个类似的系统中，规避了量子力学的不确定性原理。

在其中的一项研究中，科学家用微波脉冲让两张小的铝片膜进入量子纠缠状态。两张铝片膜与一个电路相连，并被放置在低温腔中。当科学家施加脉冲微波时，电路会与铝片膜相互作用，从而控制铝片膜的振动模式。在此条件下，铝片膜可以维持大约1毫秒的量子状态。

微波被处于量子状态的铝片膜反射后，会被信号器接收。通过对比反射前后的微波性质，研究人员可以分析出铝片膜的位置和动量信息。

研究团队仔细分析了反射的微波。在宏观世界中，反射回来的微波应该是随机的。但是当他们将结果绘制成图时，却发现微波具有特定的模式，即两张铝片膜中，一个相对平静，而另一个则轻微抖动，这表明两张铝片膜发生了量子纠缠。

在另一项研究中，科学家们在8毫开尔文的温度下，让两个铝鼓膜进入长时间、相对稳定的纠缠态。在这种纠缠态下，研究人员可以对同一个纠缠态进行多次测量，从而规避量子力学中的不确定性原理。

实验中，鼓膜振动的相位总是相反的。在这种情况下，如果将两个鼓视为一个量子力学实体，那么鼓运动状态的不确定性就被消除了。

在这项研究中，科学家利用了反作用规避原理，本质上，他们没有测量每个鼓的位置和动量，而是通过鼓膜运动对电路电压造成的影响，测量了铝鼓膜的动量之和。

这两项实验都证明了宏观物体也可以实现量子纠缠。在量子纠缠的状态下，物体的行为与经典物理的描述存在一定的区别。不论纠缠物体之间的空间距离有多远，它们都不能被独立描述。而这种和经典物理显著的区别，正是新型量子技术背后的关键理论支撑之一。

未来，这种技术进步带来的高度纠缠的量子系统，或许能够在量子网络中充当长期网络节点。此外，研究中的高效测量方法也可能对量子通信或者量子网络节点间的纠缠交换等应用有所帮助。